Licenciada em Ciências de Engenharia Civil
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE DE BETÃO SIMPLES
SUJEITAS A ENVELHECIMENTO
____Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
__________ E
Orientador: Fernando Farinha da Silva_Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Co-orientador: Manuel Américo_Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
Presidente: Arguente: Vogal: Prof. Doutor Fernando Farinha da Silva Pinho Vogal: Prof. Doutor Manuel Américo Gonçalves da Silva
Telma Cristina Brás Romeira
Licenciada em Ciências de Engenharia Civil
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE SIMPLES E REFORÇADAS COM CFRP
SUJEITAS A ENVELHECIMENTO
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Perfil de Estruturas
Fernando Farinha da Silva Pinho, Prof. Doutor, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
Manuel Américo Gonçalves da Silva, Prof. Doutor, aculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
Júri: (Font: Arial, 10 pt normal)
Presidente: Prof. Doutor Corneliu Cismasiu Arguente: Prof. Doutor Carlos Chastre Rodrigues Vogal: Prof. Doutor Fernando Farinha da Silva Pinho Vogal: Prof. Doutor Manuel Américo Gonçalves da Silva
Junho de 2012
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VIGAS REFORÇADAS COM CFRP,
, Prof. Doutor, Nova de Lisboa , Prof. Doutor,
aculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
Vogal: Prof. Doutor Manuel Américo Gonçalves da Silva
iii
“Copyright” Telma Cristina Brás Romeira, FCT/UNL e UNL
A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o direito, perpétuo e sem
limites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares impressos
reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser
inventado, e de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição
com objectivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado crédito ao autor
e editor.
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AGRADECIMENTOS
Expresso aqui o meu agradecimento a todos os que contribuíram de alguma forma para a
realização da presente dissertação ao longo deste último ano, em particular:
Ao Professor Fernando Pinho, meu orientador científico, pelo seu apoio, pelas revisões críticas
e conselhos que me transmitiu.
Ao Professor Gonçalves da Silva, meu co-orientador científico, pelo seu apoio e interesse, pela
disponibilização de bibliografia utilizada, pelas revisões críticas e conhecimentos transmitidos.
À Empresa Betão Liz SA pela betonagem das vigas e provetes cúbicos de betão utilizados.
Ao Engenheiro David Lucas, Engenheiro André Almeida e Professor Hugo Biscaia pelo apoio e
conhecimentos transmitidos e pela disponibilidade no acompanhamento dos trabalhos
laboratoriais.
Ao Sr. José Gaspar e Sr. Jorge Silvério, pelo auxílio e preparação de alguns provetes utilizados
no trabalho experimental.
À Dª Maria da Luz e Carla Figueiredo, pelo auxílio na parte burocrática deste trabalho e
simpatia demonstradas.
Aos meus colegas de curso, João Grilo, Pedro Antunes, Ana Barra, João Nunes e Mariana
Barros, pela amizade e apoio transmitidos ao longo dos últimos anos.
Aos restantes amigos, pelo incentivo e motivação demonstrados diariamente. Em especial, ao
João Almeida.
Aos meus pais e irmão, pelo apoio incondicional durante todo o meu percurso universitário e
que, mesmo nos momentos mais críticos, me motivaram sempre a continuar.
ii
iii
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VIGAS DE BETÃO SIMPLES E REFORÇADAS COM CFRP,
SUJEITAS A ENVELHECIMENTO
RESUMO
A presente dissertação vem no seguimento dos estudos desenvolvidos no Departamento de
Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
(DEC-FCT/UNL) sobre a degradação ambiental de materiais compósitos aplicados em peças de
betão armado.
A primeira fase deste trabalho foi baseada numa pesquisa bibliográfica onde se referem alguns
aspectos importantes relativos ao comportamento de vigas de betão armado reforçadas à flexão
com polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) e aos fenómenos de degradação a que
estes sistemas de reforço podem estar sujeitos ao longo do seu período de vida útil. No
seguimento da dissertação, desenvolveu-se um estudo experimental onde se pretendeu avaliar a
severidade dos efeitos da temperatura nas propriedades mecânicas dos materiais que constituem
um sistema de reforço à flexão com compósitos de CFRP colado externamente em modelos de
viga de betão simples.
Foram realizados ensaios à flexão num sistema de três pontos e analisados os parâmetros
influenciados pela imposição de ciclos de temperatura de 24 horas, sem controlo da humidade
relativa, no intervalo de valores (-10ºC, 30ºC). Os modelos de viga foram ensaiados às 0 horas,
2250 horas e 4000 horas. Foram igualmente ensaiados modelos de viga reforçados e sujeitos a
envelhecimento “natural”, isto é, condicionados à temperatura ambiente que se situou no
intervalo de valores (20ºC, 25ºC). Nos provetes ensaiados às 0 horas pretendeu-se analisar a
influência da variação da espessura e largura do sistema de FRP nas propriedades mecânicas dos
modelos. Com os ensaios realizados nos provetes envelhecidos pretendeu-se determinar a
capacidade última, estudar mecanismos de rotura e avaliar os efeitos do envelhecimento ao
longo do tempo em termos de evolução da carga de rotura, da tensão de aderência e da tensão e
extensão no CFRP. Adicionalmente estudou-se o envelhecimento do material CFRP durante um
período de 3500 horas ensaiando à tracção provetes planos antes e após a imposição dos
mesmos ciclos de temperatura aplicados nos modelos de viga.
PALAVRAS-CHAVE: CFRP, betão, reforço à flexão, aderência, envelhecimento acelerado,
temperatura.
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v
STUDY OF THE BEHAVIOR OF CONCRETE BEAMS REINFORCED WITH CFRP SUBJECTED TO AGING
ABSTRACT
This work derives from some studies undertaken at the Civil Engineering Department of
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (DEC-FCT/UNL) about
environmental degradation of composite materials applied to concrete elements. Initially, it was
done a literature research on some important aspects about the behavior of concrete beams
strengthened with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) and the degradation’s phenomena
that these reinforcement systems are subjected during its lifetime.
Following the literature research, it was developed an experimental work in order to assess the
severity of temperature effects on mechanical properties of all the materials included in a
flexural reinforcement system with CFRP composites applied in simple concrete beams. It was
performed three-point system flexural tests and analyzed parameters influenced by the
imposition of 24 hours temperature cycles (without relative humidity control) in the range of
values (-10ºC, 30ºC). The beams were tested with different levels of aging: 0 hours, 2250 hours
and 4000 hours. It were also tested reinforced beams subjected to “natural” aging, conditioned
at room temperature which fluctuated in the range of values (20ºC, 25ºC). For samples tested at
0 hours it was intended to analyze the influence of the thickness and width of the CFRP system
in the beams mechanical properties. In the tests performed on samples aged it was intended to
determine the ultimate capacity, to study mechanisms of fracture and to evaluate the effects of
aging over time. Additionally, it was studied the CFRP material aging for a period of 3500
hours by practicing tensile tests in flat specimens before and after the aging with the same
temperature cycles applied in the beams.
KEYWORDS: CFRP, concrete, flexural strengthening, bond, accelerated aging, temperature.
vi
vii
ÍNDICE DE TEXTO
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 1.1. Enquadramento geral ..................................................................................................... 1
1.2. Objectivos da dissertação .............................................................................................. 4
1.3. Organização da dissertação ........................................................................................... 4
Capítulo 2 - REFORÇO À FLEXÃO DE VIGAS DE BETÃO ARMADO COM CFRP
2.1. Considerações gerais ..................................................................................................... 7
2.2. Polímeros reforçados com fibras (FRP) ........................................................................ 7
2.2.1. Desenvolvimento histórico dos compósitos de FRP .............................................. 8
2.2.2. Constituição dos compósitos de FRP .................................................................... 9
2.3. Utilização de compósitos de CFRP em reforço de estruturas ...................................... 13
2.3.1. Processos de fabrico dos compósitos de CFRP ................................................... 14
2.3.2. Colagem do compósito de CFRP na superfície do betão ..................................... 15
2.4. Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP .............................................. 17
2.4.1. Sistemas de aplicação do reforço ......................................................................... 17
2.4.2. Comportamento mecânico ................................................................................... 18
2.4.3. Modos de rotura ................................................................................................... 19
2.4.4. Interface betão-compósito ................................................................................... 24
2.4.5. Propostas de dimensionamento para o controlo de roturas prematuras ............... 27
Capítulo 3 - DEGRADAÇÃO AMBIENTAL DO BETÃO E DOS SISTEMAS DE FRP
3.1. Considerações gerais ................................................................................................... 37
3.2. Degradação ambiental ................................................................................................. 37
3.2.1. Influência das acções ambientais sobre o betão................................................... 38
3.2.2. Influência das acções ambientais sobre o FRP .................................................... 41
viii
3.2.3. Recomendações do ACI 440 (2002) .................................................................... 43
3.3. Apresentação de alguns trabalhos de investigação ...................................................... 43
Capítulo 4 - ESTUDO EXPERIMENTAL
4.1. Considerações gerais ................................................................................................... 53
4.2. Programa de ensaios .................................................................................................... 53
4.3. Caracterização dos materiais ....................................................................................... 54
4.3.1. Betão .................................................................................................................... 54
4.3.2. Compósitos de CFRP ........................................................................................... 57
4.4. Programa de envelhecimento ....................................................................................... 68
4.4.1. Características e execução das vigas utilizadas ................................................... 68
4.4.2. Esquema de ensaio à flexão e instrumentação utilizada ...................................... 72
4.4.3. Tipos de envelhecimento aplicado nas vigas reforçadas ..................................... 76
4.4.4. Resumo dos provetes ensaiados........................................................................... 77
Capítulo 5 - RESULTADOS EXPERIMENTAIS
5.1. Considerações gerais ................................................................................................... 79
5.2. Ensaios à flexão ........................................................................................................... 79
5.2.1. Provetes ensaiados às 0 horas .............................................................................. 80
5.2.2. Provetes ensaiados às 2250 horas ........................................................................ 84
5.2.3. Provetes ensaiados às 4000 horas ........................................................................ 90
5.3. Ensaios à tracção ......................................................................................................... 98
5.3.1. Provetes com uma camada de CFRP às 3500 horas ............................................ 99
5.3.2. Provetes com duas camadas de CFRP às 3500 horas ........................................ 101
Capítulo 6 - ANÁLISE DE RESULTADOS
6.1. Considerações gerais ................................................................................................. 103
6.2. Ensaios de flexão ....................................................................................................... 103
ix
6.2.1. Relação força-deslocamento e rigidez ............................................................... 103
6.2.2. Tensões máximas no CFRP ............................................................................... 106
6.2.3. Tensões de aderência médias e máximas ........................................................... 113
6.2.4. Extensões máximas no CFRP ............................................................................ 117
6.3. Ensaios de tracção ..................................................................................................... 118
Capítulo 7 - CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
7.1. Considerações gerais ................................................................................................. 121
7.2. Conclusões e comentários finais ................................................................................ 121
7.3. Desenvolvimentos futuros ......................................................................................... 121
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 125
x
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – Exemplos de aplicação de reforço de estruturas pelos “métodos tradicionais”.........2
Figura 2.1 – Esquema da tipologia das fibras utilizadas em compósitos de FRP..........................9
Figura 2.2 – Relação tensão-extensão de compósitos de FRP, do aço macio e de pré-esforço...11
Figura 2.3 – Exemplos de aplicação de sistemas de CFRP em reforço de estruturas..................13
Figura 2.4 – Processos de fabrico dos CFRP mais utilizados no sector da construção...............14
Figura 2.5 – Esquema de sistema de reforço com as diferentes camadas....................................16
Figura 2.6 – Relação carga-deslocamento de vigas reforçadas à flexão com CFRP...................18
Figura 2.7 – Relação momento-curvatura de vigas reforçadas à flexão com CFRP....................19
Figura 2.8 – Modos de rotura de vigas reforçadas à flexão com CFRP.......................................21
Figura 2.9 – Interfaces de rotura dos sistemas de FRP.................................................................22
Figura 2.10 – Modos de rotura por peeling off.............................................................................23
Figura 2.11 – Representação esquemática de modelos de aderência...........................................24
Figura 2.12 – Distribuição de tensões de corte e normais ao longo do comprimento do FRP no
modelo de flexão..........................................................................................................................25
Figura 2.13 – Análise da secção para o ELU à flexão..................................................................28
Figura 2.14 – Modelo de análise da rotura por fenda de corte junto à extremidade do FRP.......33
Figura 3.1 – Exemplos dos efeitos da exposição a temperaturas extremas no betão...................40
Figura 3.2 – Representação esquemática do modelo ensaiado no estudo de Myers et al............45
Figura 3.3 – Esquema de ensaio utilizado por Vaz et al..............................................................46
Figura 3.4 – Esquema de ensaio utilizado no estudo de Marreiros..............................................47
Figura 3.5 – Modos de rotura obtidos no estudo de Biscaia........................................................49
Figura 3.6 – Modelos ensaiados à tracção e à difusão no estudo de Lucas..................................49
Figura 3.7 – Representação esquemática do modelo testado no estudo de Bisby et al................51
xii
Figura 3.8 – Reduções na capacidade de carga com o aumento da temperatura de exposição
obtidas no estudo de Bisby et al...................................................................................................51
Figura 4.1 – Esquema cronológico do programa de ensaios........................................................53
Figura 4.2 – Máquina de compressão uniaxial utilizada nos ensaios à compressão do betão.....55
Figura 4.3 – Componentes dos compósitos de CFRP utilizados..................................................57
Figura 4.4 – Provetes planos de CFRP.........................................................................................58
Figura 4.5 – Processo de fabrico dos provetes planos .................................................................60
Figura 4.6 – Resina aplicada na colagem dos tabs e no isolamento dos provetes planos............61
Figura 4.7 – Equipamento utilizado nos ensaios de tracção dos provetes planos........................62
Figura 4.8 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos de referência com uma camada de
CFRP............................................................................................................................................62
Figura 4.9 – Roturas obtidas nos provetes planos de referência com uma camada de
CFRP............................................................................................................................................63
Figura 4.10 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos de referência com duas camadas
de CFRP........................................................................................................................................64
Figura 4.11 – Roturas obtidas nos provetes planos de referência com duas camadas de
CFRP............................................................................................................................................65
Figura 4.12 – Aspecto e dimensões das vigas utilizadas..............................................................68
Figura 4.13 – Preparação da superfície de colagem das vigas.....................................................69
Figura 4.14 – Delimitação e direcção de corte do tecido.............................................................70
Figura 4.15 – Preparação da resina de colagem...........................................................................70
Figura 4.16 – Colagem do tecido de CFRP na superfície de betão.............................................71
Figura 4.17 – Vista geral do ensaio à flexão................................................................................72
Figura 4.18 – Esquema da aplicação de cargas no ensaio à flexão..............................................73
Figura 4.19 – Cilindro hidráulico, bomba de óleo e célula de carga utilizados nos ensaios à
flexão............................................................................................................................................73
Figura 4.20 – Deflectómetros, apoios e esfera utilizados nos ensaios à
flexão............................................................................................................................................74
Figura 4.21 – Esquema da colocação dos extensómetros nos provetes ensaiados.......................75
xiii
Figura 4.22 – Ciclos de temperatura.............................................................................................76
Figura 4.23 – Câmara climática utilizada no envelhecimento acelerado.....................................77
Figura 5.1 – Rotura típica dos provetes ensaiados às 0 horas......................................................81
Figura 5.2 – Destacamento do CFRP nos provetes ensaiados às 0 horas.....................................82
Figura 5.3 – Diagramas força-deslocamento dos provetes ensaiados às 0 horas.........................83
Figura 5.4 – Vista geral e pormenor da rotura do provete V-NAT-2250h...................................84
Figura 5.5 – Pormenor do destacamento do CFRP no provete V-NAT-2250h...........................85
Figura 5.6 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-NAT-2250h e V-REF-2C-100.....85
Figura 5.7 – Tensões no CFRP no provete V-NAT-2250h..........................................................86
Figura 5.8 – Tensões de aderência entre betão e CFRP no provete V-NAT-2250h....................86
Figura 5.9 – Rotura no provete V-ENV-2250h e pormenor da superfície do compósito e do
betão.............................................................................................................................................87
Figura 5.10 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-ENV-2250h e V-REF-2C-100...88
Figura 5.11 – Tensões no CFRP no provete V-ENV-2250h........................................................89
Figura 5.12 – Tensões de aderência entre betão e CFRP no provete V-ENV-2250h..................89
Figura 5.13 – Rotura e pormenor da superfície de reforço do provete V-NAT-4000h................90
Figura 5.14 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-NAT-4000h e V-REF-2C-100...91
Figura 5.15 – Tensões no CFRP no provete V-NAT-4000h........................................................91
Figura 5.16 – Tensões de aderência entre betão e CFRP no provete V-NAT-4000h..................92
Figura 5.17 – Pormenor da rotura do provete V-ENV-4000h-1..................................................93
Figura 5.18 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-ENV-4000h e V-REF-2C-100...93
Figura 5.19 – Tensões no CFRP no provete V-ENV-4000h-1....................................................94
Figura 5.20 – Tensões de aderência no provete V-ENV-4000h-1...............................................94
Figura 5.21 – Rotura do provete V-ENV-4000h-2.......................................................................95
Figura 5.22 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-ENV-4000h-2, V-ENV-4000-1 e
V-REF-2C-100.............................................................................................................................96
Figura 5.23 – Tensões no CFRP no provete V-ENV-4000h-2.....................................................97
Figura 5.24 – Tensões de aderência no provete V-ENV-4000h-2...............................................97
xiv
Figura 5.25 – Provete plano de CFRP sujeito ao ensaio à tracção...............................................98
Figura 5.26 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos com uma camada de CFRP
ensaiados às 3500 horas................................................................................................................99
Figura 5.27 – Roturas dos provetes planos com uma camada de CFRP
envelhecidos...............................................................................................................................100
Figura 5.28 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos com duas camadas de CFRP
ensaiados às 3500 horas..............................................................................................................101
Figura 5.29 – Roturas obtidas nos provetes planos com duas camadas de CFRP ensaiados às
3500 horas..................................................................................................................................101
Figura 6.1 – Evolução da carga de rotura para os dois tipos de envelhecimento.......................106
Figura 6.2 – Evolução da tensão no CFRP para os escalões de carga de 5kN e 10kN nos
provetes ensaiados às 2250 horas...............................................................................................108
Figura 6.3 – Evolução da tensão no CFRP para o escalão de carga de rotura nos provetes
ensaiados às 2250 horas..............................................................................................................109
Figura 6.4 – Evolução da tensão no CFRP para os escalões de carga de 10kN e 15kN nos
provetes ensaiados às 4000 horas...............................................................................................110
Figura 6.5 – Evolução da tensão no CFRP para os escalões de carga de 20kN nos provetes
ensaiados às 4000 horas..............................................................................................................111
Figura 6.6 – Evolução da tensão no CFRP para o escalão de carga de rotura nos provetes
ensaiados às 2250 horas..............................................................................................................112
Figura 6.7 – Evolução da tensão no CFRP para o escalão de carga de rotura nos provetes
ensaiados.....................................................................................................................................112
Figura 6.8 – Equilíbrio da secção reforçada (simplificação)......................................................114
Figura 6.9 – Comparação das propriedades mecânicas dos provetes planos com uma camada de
CFRP envelhecidos com os provetes planos de referência........................................................118
Figura 6.10 – Comparação das propriedades mecânicas dos provetes planos com duas camadas
de CFRP envelhecidos com os provetes planos de referência...................................................119
BEHAVIOR OF B
xv
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1.1 – Vantagens e desvantagens do encamisamento de betão armado...............................2
Tabela 1.2 – Vantagens e desvantagens do reforço por chapas metálicas.....................................3
Tabela 2.1 – Propriedades mecânicas das fibras utilizadas em sistemas de compósitos de FRP.10
Tabela 2.2 – Propriedades físicas e mecânicas das resinas termoendurecidas.............................12
Tabela 2.3 – Principais vantagens e desvantagens dos adesivos epoxídicos...............................16
Tabela 2.4 – Propostas para a avaliação das tensões tangenciais máximas.................................27
Tabela 3.1 – Factores de redução para diferentes sistemas FRP e condições de exposição........43
Tabela 3.2 – Trabalhos de investigação sobre o comportamento de vigas de betão armado
reforçadas com FRP sujeitas a diferentes condições de exposição ambiental.............................44
Tabela 3.3 – Caracterização dos materiais utilizados no estudo de Vaz et al..............................46
Tabela 3.4 – Ambientes de degradação do trabalho experimental de Marreiros.........................47
Tabela 3.5 – Ambientes de degradação do trabalho experimental de Biscaia.............................48
Tabela 3.6 – Ambientes de degradação do trabalho experimental de Lucas................................50
Tabela 4.1 – Composição do betão das vigas ensaiadas..............................................................54
Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios à compressão dos provetes cúbicos...................................55
Tabela 4.3 – Propriedades mecânicas do betão aos 28 dias de idade segundo o EC2.................56
Tabela 4.4 – Propriedades mecânicas de S&P C-Sheet 240 (300 g/m3).......................................57
Tabela 4.5 – Características mecânicas da resina epoxídica S&P Resin 55 ................................58
Tabela 4.6 – Identificação e dimensões relevantes dos provetes planos de referência................61
Tabela 4.7 – Resultados dos provetes planos de referência com uma camada de CFRP............64
Tabela 4.8 – Resultados dos provetes planos de referência com duas camadas de CFRP...........66
xvi
Tabela 4.9 – Resumo dos resultados de caracterização do CFRP e comparação com os dados do
fabricante das fibras.....................................................................................................................66
Tabela 4.10 – Comparação entre os resultados obtidos nos ensaios de tracção às 0 horas..........67
Tabela 4.11 – Identificação dos provetes ensaiados à tracção.....................................................77
Tabela 4.12 – Identificação dos provetes planos ensaiados à flexão...........................................78
Tabela 5.1 – Resultados experimentais dos provetes ensaiados às 0 horas..................................83
Tabela 5.2 – Identificação e dimensões relevantes dos provetes planos envelhecidos................99
Tabela 5.3 – Resultados dos provetes planos com uma camada de CFRP envelhecidos...........100
Tabela 5.4 – Resultados dos provetes planos com duas camadas de CFRP envelhecidos........102
Tabela 6.1 – Influência da largura do reforço nas propriedades dos provetes ensaiados às 0
horas...........................................................................................................................................103
Tabela 6.2 – Influência do número de camadas nas propriedades dos provetes ensaiados às 0
horas...........................................................................................................................................104
Tabela 6.3 – Variação da carga de rotura provetes envelhecidos...............................................105
Tabela 6.4 – Valores máximos de tensão no CFRP nos provetes ensaiados às 2250 horas.......107
Tabela 6.5 – Valores máximos da tensão no CFRP nos provetes ensaiados às 4000 horas.......110
Tabela 6.6 – Valores máximos de tensão no CFRP nos provetes com envelhecimento
“natural”.....................................................................................................................................113
Tabela 6.7 – Valores máximos de tensão no CFRP nos provetes com envelhecimento
acelerado.....................................................................................................................................113
Tabela 6.8 – Força no CFRP......................................................................................................115
Tabela 6.9 – Tensões de aderência médias...............................................................................116
Tabela 6.10 – Extensão máximas no CFRP...............................................................................117
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VIGASCFRP
xvii
SIMBOLOGIA
Simbolos
Letras maiúsculas latinas
Af área da secção transversal do sistema de compósitos de FRP
As área da armadura ordinária de tracção
C número de camadas do sistema de reforço de FRP
CE factor de redução para diferentes sistemas FRP e condições de exposição E módulo de elasticidade secante do betão
Ef módulo de elasticidade do FRP
Efd módulo de elasticidade de dimensionamento do FRP
Efk módulo de elasticidade característico do FRP
Es módulo de elasticidade da armadura FCFRP força no CFRP
Gf energia de fractura
Kmed rigidez média da viga
L distância do final do compósito de FRP ao apoio
Lb comprimento da ligação do compósito de FRP
Lb,max comprimento máximo da ligação do compósito de FRP
Lf largura do sistema de FRP
Lo comprimento de referência dos provetes planos de FRP
MRd momento flector resistente
Mu momento flector actuante de cálculo
Nfa,max força máxima de ancoragem
Pu carga última
Tg temperatura de transição vítrea
Tk,max força máxima no compósito de FRP colado ao betão
VRd valor resistente da força de corte
VSd valor actuante da força de corte
xviii
Letras minúsculas latinas
aL vão fictício para esforços de corte
b largura da secção da viga
bf largura do sistema de compósitos de FRP
bp largura da secção do coupon de FRP
c1; c2 factores de calibração; obtidos experimentalmente
c profundidade da linha neutra
d altura útil da secção da viga
fc tensão de compressão do betão
fcbd tensão de rotura no betão de acordo com o critério Mohr-Coulomb
fci tensão de rotura à compressão de cada provete cúbico de betão
fck,cyl tensão de rotura característica do betão para provetes cilíndricos
fcm,cube resistência média à compressão dos provetes cúbicos aos 28 dias
ffu tensão última no compósito de FRP
ff tensão de tracção no compósito de FRP
fs tensão na armadura ordinária de tracção
ft tensão de rotura à tracção do betão
fctk tensão de rotura característica à tracção do betão
fyd tensão última na armadura ordinária de tracção
fctm tensão de tracção no betão
fctm,sp valor de tensão de rotura à tracção por compressão diametral
h altura da secção da viga
hf espessura do compósito de FRP
kb factor dependente da geometria da peça
kc factor que tem em conta a compactação do betão
km factor de redução da extensão do compósito de FRP lt comprimento dos tabs dos provetes planos de FRP
nf número de lâminas de compósito de FRP
so; s1 parâmetros relacionados com o deslizamento na interface betão-compósito
tf espessura de cada lâmina de compósito de FRP
tp espessura do provete plano de FRP
xix
Letras minúsculas gregas
α factor de redução que tem em conta as fendas inclinadas do betão βl rácio entre profundidade rectangular de tensões e profundidade da linha neutra βw coeficiente da geometria do reforço δmax deslocamento máximo δG factor de redução aplicado à linha neutra
γ multiplicador da tensão de compressão do betão
γmE coeficiente de redução relativo ao módulo de elasticidade do FRP
∆L variação do comprimento de referência do provete até à rotura ΔNfd diferença de esforço axial entre as duas secções Δx distância entre duas secções
∆ε variação da extensão
∆σ variação da tensão
∆σf tensão de tracção máxima entre fendas
εc extensão no betão
εcu extensão última no betão
εf extensão na armadura ordinária de tracção
εfu extensão nos compósitos de FRP
εo valor de extensão inicial
εs extensão na armadura ordinária de tracção
ρ densidade do compósito de FRP
ρeq coeficiente equivalente de reforço longitudinal
ρs percentagem de armadura ordinária de tracção σf tensão normal no FRP ou resistência à tracção no compósito de FRP
τader tensão de aderência do compósito de FRP
τmax tensão de aderência máxima do compósito de FRP
τRk tensão de corte característica do betão ψ factor de redução aplicado à tensão de compressão no betão ψf factor de redução aplicado à contribuição de flexão no FRP
xx
Abreviaturas e siglas
ACI American Concrete Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer
CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer
DEC Departamento de Engenharia Civil
EBR Epoxy Bonded Reinforcement
EC2 Eurocódigo 2
FCT Faculdade de Ciências e Tecnologia
FRCM Fiber Reinforced Cimentitious Matrix
FRP Fiber Reinforced Polymer
fib Féderation International du Béton
GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer
HM high modulus
HR humidade relativa
HS high strength
JSCE Japan Society of Civil Engineers
NS nevoeiro salino
NSMR Near Surface Reinforced System
TR55 Technical Report n.º55
T temperatura
UNL Universidade Nova de Lisboa
UV ultravioleta
1
STUDY OF THE BEHAVIOR OF BEAMS REINFORCED WITH CFRP
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
1.1. Enquadramento geral
A evolução histórica do betão remonta às antigas civilizações com a procura de um material que
apresentasse conjuntamente elevadas qualidades de resistência e durabilidade. Quando, no
século XIX, se introduziu aço no betão, o conjunto obtido passou também a resistir às tensões
de tracção. Aliando este factor à facilidade e rapidez em assumir qualquer forma, foi possível
obter elementos estruturais de menor altura e com vão significativamente maior (Appleton,
1998; Bastos, 2006).
Desde cedo o betão armado foi considerado como um material “eterno”, porém, tal como todos
os materiais de construção, apresenta algumas limitações. Ao longo do tempo, o betão armado
perde características mecânicas muito em função da sua sensibilidade perante o meio ambiente
onde é inserido. Associado a este comportamento existem diversos factores que têm motivado o
reforço e reparação de estruturas de betão armado, entre os quais (Fernandes et al, 2002;
Juvandes, 2002):
• correcção de anomalias decorrentes de erros de projecto ou de construção;
• degradação da estrutura devido ao assentamento de apoio;
• modificação da geometria da estrutura;
• modificação das acções, como resultado de nova regulamentação, de nova utilização ou
de acções acidentais (choques, explosões, sismos, etc);
• aumento do nível de segurança da estrutura.
Ao longo do último século, a comunidade técnica procurou desenvolver sistemas de reforço
capazes de responder de forma adequada às necessidades dos elementos estruturais. Entre as
técnicas desenvolvidas, aplicáveis ao reforço de elementos de betão armado (entre os quais as
vigas), tem-se a adição exterior de armaduras em aço ao elemento inicial e a colagem de chapas
metálicas no elemento a reforçar. Na figura 1.1 apresentam-se dois exemplos de aplicação
destes “métodos tradicionais”.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
2
a) aplicação de reforço por encamisamento de betão armado em colunas (Fardis, 2009) b) aplicação de reforço com chapas coladas numa viga (Rodrigues, 2010)
Figura 1.1 – Exemplos de aplicação de reforço de estruturas pelos “métodos tradicionais”
Appleton e Gomes (1997) definem o reforço de um elemento por encamisamento como o
aumento da secção transversal pela adição de uma armadura suplementar e de uma camada de
betão que envolve a secção inicial e na qual ficam inseridas as novas armaduras. No caso das
vigas, o reforço por encamisamento pode ser efectuado para a flexão ou à flexão e ao esforço
transverso, sendo a disposição de armaduras variável.
Na tabela 1.1 resumem-se, com base na bibliografia indicada, algumas das vantagens e
desvantagens do reforço por encamisamento de betão armado.
Tabela 1.1 – Vantagens e desvantagens do encamisamento de betão armado (adaptado de Appleton e Gomes, 1997; Carvalho, 2011)
Solução de reforço Vantagens Desvantagens
Encamisamento de betão armado
Não necessita de mão-de-obra especializada
Utilização de materiais convencionais em construção
Boa resistência em situações acidentais de incêndio
Excelente compatibilidade com o elemento estrutural a reforçar
Não altera substancialmente a ductilidade da rotura do modelo reforçado
Incremento substancial no peso proóprio actuante no elemento estrutural reforçado
Implicações a nível arquitectónico devido ao aumento da secção transversal dos elementos
Restrições ao nível da utilização da estrutura ao longo da sua aplicação
Morosidade de aplicação
a) b)
Capítulo 1 – Introdução
3
Na década de 60, do século XX, surge o reforço por chapas metálicas, resultante dos trabalhos
de investigação de Bresson (1971) e L’Hermite (1967; 1977). O reforço à flexão por chapas
metálicas consiste na adição de armadura em forma de chapa na zona de tensões de tracção dos
elementos, sendo a adesão entre as chapas metálicas e o betão da secção inicial assegurada por
um adesivo à base de resinas epoxídicas.
Na tabela 1.2 resumem-se, com base na bibliografia indicada, algumas das principais vantagens
e desvantagens do reforço por colagem de chapas metálicas.
Tabela 1.2 – Vantagens e desvantagens do reforço por colagem de chapas metálicas (adaptado de Appleton e Gomes, 1997; Carvalho, 2011)
Solução de reforço Vantagens Desvantagens
Colagem de chapas metálicas
Reduzido acréscimo nas dimensões das secções
Baixo custo
Maior rapidez de aplicação comparativamente à adição de betão armado
Baixo nível de intrusão no sistema estrutural
Bom comportamento estrutural
Necessidade de mão-de-obra especializada
Deterioração da ligação entre a chapa e o betão devido à corrosão da chapa
Fraca resistência em situações acidentais de incêndio
Dificuldades de transporte, manuseamento e armazenamento das chapas
Em ambos os métodos apresentados são utilizados materiais que, tal como os do elemento
inicial, são susceptíveis à deterioração, necessitando igualmente de manutenção. Como
resultado da procura de materiais aplicáveis ao reforço de estruturas que apresentassem elevadas
características de durabilidade e resistência mecânica e que minimizassem os efeitos na
arquitectura surgem, na década de 80 do século XX, os primeiros estudos sobre a utilização de
polímeros reforçados com fibras (FRP) no reforço de estruturas de betão armado (Bakis et al,
2002).
Os vários tipos de FRP têm sido alvo de inúmeros estudos que comprovam as vantagens da sua
utilização no reforço de estruturas, mas também descrevem os seus principais problemas. É
incontestável que se trata de uma alternativa possível aos sistemas de reforço convencionais,
mas é preciso saber utilizá-la convenientemente. Note-se que a relação tensão-extensão dos FRP
revela que a sua rotura é frágil, verificando-se muito frequentemente mecanismos de rotura
prematuros na ligação betão-FRP, razão pela qual existem algumas reservas na sua utilização.
Torna-se, portanto, importante conhecer o comportamento destes sistemas de reforço ao longo
do tempo, especialmente quando sujeito a condições ambientais menos favoráveis.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
4
1.2. Objectivos da dissertação
A presente dissertação insere-se nos trabalhos de investigação em curso no Departamento de
Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
(DEC-FCT/UNL) sobre o comportamento de sistemas de reforço com materiais compósitos.
Este trabalho visa complementar o conhecimento existente no referente ao reforço à flexão de
vigas com polimeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) perante agressões ambientais,
tendo sido possível pela utilização de meios disponibilizados pelo Projecto DUST-PTDC/ECM-
100538/2008, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia. De forma detalhada, a
presente investigação foi orientada pelos seguintes objectivos:
• reunir, numa pesquisa bibliográfica, o principal conhecimento existente sobre o reforço
à flexão de vigas de betão armado com CFRP, analisando o comportamento mecânico
de vigas reforçadas, as propostas normativas existentes e os fenómenos de degradação a
que os referidos elementos estruturais poderão estar sujeitos;
• definir um programa de envelhecimento em vigas reforçadas à flexão com CFRP que
permita avaliar os efeitos da exposição dos mesmos sistemas, tendo como agente de
degradação a temperatura;
• caracterizar os materiais envolvidos no sistema de reforço isoladamente;
• testar a eficácia do sistema de reforço aplicado na vigas, estudando os mecanismos de
rotura e os mecanismos de transferência de cargas entre as interfaces dos materiais;
• analisar o comportamento de tensões de aderência e tensões no CFRP, comparando
resultados obtidos entre provetes;
• comparar os resultados obtidos entre si.
1.3. Organização da dissertação
A dissertação está organizada em sete capítulos, incluindo o presente. Seguidamente, procede-se
à descrição sumária de cada capítulo.
No Capítulo 2 descrevem-se e caracterizam-se os compósitos de FRP, apresentando os
compósitos de CFRP de forma mais detalhada. Caracteriza-se o comportamento mecânico de
vigas reforçadas à flexão com CFRP, descrevendo os modos de rotura e a interface betão-
compósito e apresentando algumas propostas de dimensionamento.
Capítulo 1 – Introdução
5
No Capítulo 3 refere-se, na primeira fase, aos agentes de degradação que actuam no betão e nos
compósitos de FRP. Na segunda fase do capítulo são apresentados diversos trabalhos de
investigação realizados por outros investigadores sobre o comportamento de vigas de betão
armado reforçadas com sistemas de FRP quando inseridas em ambientes agressivos.
O Capítulo 4 aborda o programa experimental, onde se apresentam os resultados relativos aos
ensaios de caracterização dos materiais utilizados, se caracterizam os modelos de viga utilizados
e se descreve a aplicação do sistema de reforço. Finalmente, apresenta-se o programa de
envelhecimento aplicado nas vigas reforçadas à flexão com CFRP e nos provetes planos de
CFRP.
No Capítulo 5 apresentam-se os resultados experimentais obtidos nos ensaios descritos no
capítulo anterior, nomeadamente os ensaios de flexão a vigas reforçadas à flexão com CFRP e
ensaios de tracção aos provetes planos de CFRP.
O Capítulo 6 consiste na análise e discussão dos resultados experimentais, comparando
grandezas e verificando a sua evolução em termos percentuais.
No Capítulo 7 apresentam-se as conclusões decorrentes do estudo experimental e sugerem-se
vários aspectos passíveis de serem abordados em estudos futuros.
Estudo do comportamento de vigas reforçadas com CFRP
6
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
7
STUDY OF THE BEHAVIOR OF BEAMS REINFORCED WITH CFRP
Capítulo 2
REFORÇO À FLEXÃO
DE VIGAS DE BETÃO ARMADO COM CFRP
2.1. Considerações gerais
Neste capítulo trata-se o tema de reforço à flexão de vigas de betão armado com compósitos de
CFRP.
Numa primeira fase, descrevem-se e caracterizam-se os materiais FRP. De seguida, dando
ênfase aos compósitos de CFRP em aplicações no reforço de estruturas, indicam-se os
principais processos de fabrico e referem-se aspectos importantes a ter em conta na colagem do
sistema de reforço. A terceira fase é dedicada ao reforço à flexão de vigas de betão armado com
CFRP; apresentam-se os sistemas de reforço mais utilizados e os modos de rotura, analisa-se a
interface betão-compósito e, por último, descreve-se o processo de dimensionamento proposto
por documentos normativos para o controlo de roturas prematuras.
2.2. Polímeros reforçados com fibras (FRP)
Define-se material compósito como a combinação artificial de dois ou mais materiais, da qual
resulta num novo material, cujos constituintes são ainda distinguíveis e não totalmente
misturados. Um material compósito aproveita as melhores características dos diferentes
materiais que lhe dão origem (Vinson e Sierakowski, 2002).
De acordo com Callister e Rethwisch (2011) os materiais compósitos são constituídos por duas
fases: a matriz e a fase de dispersão. As propriedades dos compósitos dependem das
características dos seus constítuintes e das suas quantidades relativas e, ainda, da geometria da
fase de dispersão.
Nas secções seguintes aprofunda-se o conhecimento existente dos compósitos de FRP, cuja fase
de dispersão é constituída por fibras.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
8
2.2.1. Desenvolvimento histórico dos compósitos de FRP
O conceito de material compósito existe há milhares de anos, no entanto o desenvolvimento de
compósitos de FRP data do início do século XX. Segundo Busel e Lockwood (2000), o primeiro
produto de FRP conhecido foi o casco de um barco fabricado na década de 30, do século XX,
como parte de uma experiencia usando um tecido de fibra de vidro e uma resina de poliéster
colocada num molde de espuma. Nos anos seguintes, assistiu-se a um desenvolvimento dos
compósitos de FRP impulsionados pelas indústrias naval, aeroespacial e petrolífera. Na década
de 40 do século XX, surgem as primeiras aplicações de fibras de vidro em cascos de navios e
coberturas de radares e a indústria petrolífera utiliza compósitos de FRP em elementos
estruturais, como plataformas em alto mar, e em tubagens.
A expansão do campo de aplicação dos compósitos de FRP é fruto do desenvolvimento dos
próprios materiais. Existiu sempre um esforço de redução do custo de produção alcançado na
década de 80, do século XX, com o desenvolvimento de processos de fabrico em série, como a
pultrusão. É a partir desta altura que um número elevado de investigadores e organizações
iniciam estudos no sentido de integrar os FRP em aplicações de Engenharia Civil (Juvantes,
2002). Destacam-se três potenciais frentes de trabalho:
• na Ásia: pré-fabricação, pré-esforço por pré-tensão e reforço aos sismos;
• na América do Norte: soluções de problemas de durabilidade de pontes;
• na Europa: preservação e reabilitação do património histórico.
Em termos de reforço de estruturas, inumeras investigações têm sido levadas a cabo por
instituições como a Japan Society of Civil Engineers (JSCE), a Fedération Internationale du
Béton (fib) e o American Concrete Society (ACI). Para alguns dos trabalhos individuais tem-se
como referência:
• na Ásia: Teng et al (2002), entre outros;
• na América: Saadatmanesh e Ehsani (1990), entre outros.
• na Europa: Holzenkämpfer (1994), Täljsten (1994), Triantafillou (1998), Matthys
(2000), Juvandes (1999), Rodrigues (1999), Dias e Barros (2004) e Carvalho et al
(2010), entre outros.
Em Portugal, no que toca à durabilidade de materiais e sistemas de reforço com compósitos
tem-se os trabalhos de Costa (1997), Silva (2004), Marreiros (2005), Biscaia (2006), Lucas
(2010), entre outros.
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
9
2.2.2. Constituição dos compósitos de FRP
Como referido, nos compósitos de FRP distinguem-se dois componentes: as fibras e a matriz
polimérica. De seguida, apresentam-se as suas principais características.
Fibras
As fibras são o elemento estrutural principal dos compósitos de FRP. Podem definir-se como
um material filamentar, cuja razão entre comprimento e diâmetro é no mínimo igual a 100.
Embora não existam restrições quanto ao diâmetro mínimo, o máximo diâmetro não deve ser
superior a 0,25mm (ASTM D30, 1964).
As fibras têm como função suportar as solicitações mecânicas, fornecendo resistência e rigidez
suficientes na direcção em que se desenvolvem. Segundo Hollaway (1993) as principais
características das fibras utilizadas nos compósitos são:
• elevada resistência e módulo de elasticidade;
• reduzida variação de resistência entre fibras individuais;
• estabilidade e capacidade de manter as suas propriedades ao longo do processo de
fabrico e manuseamento;
• uniformidade no diâmetro e na sua superfície.
Em Engenharia Civil, as fibras mais utilizadas apresentam uma forma indefinidamente longa e
são denominadas por contínuas. Este tipo de fibras podem ser entrelaçadas ou dispersas
paralelamente, sendo possível constituir mantas com fibras de reforço orientadas aleatoriamente
ou com direcções definidas (Bank, 2006; Correia, 2008). Na figura 2.1 esquematizam-se os
diferentes tipos de disposição de fibras contínuas existentes.
a) fibras contínuas dispostas aleatoriamente b) fibras contínuas direccionadas (0º/90º) entrelaçadas
c) fibras contínuas direccionadas (0º/90º) e fibras dispostas aleatoriamente d) fibras contínuas direccionadas (0º/45º/90º) e fibras dispostas aleatoriamente
Figura 2.1 – Esquema da tipologia das fibras utilizadas em compósitos de FRP (website: Fiberlines Composites)
a) b) c) d)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
10
A orientação das fibras é crucial para o bom comportamento do material compósito, pois
influencia o valor do módulo de elasticidade e o valor da resistência à tracção. Os valores
máximos de módulo de elasticidade e resistência à tracção atingem-se segundo a direcção
principal das fibras e diminuem, progressivamente, à medida que o ângulo em análise se afasta
da direcção principal (Firmo, 2010).
O comprimento das fibras também condiciona as propriedades mecânicas dos compósitos que
constituem. As fibras contínuas permitem obter valores máximos de resistência e rigidez. Os
compósitos constituídos por fibras curtas distribuídas aleatoriamente apresentam propriedades
quase isotrópicas nesse plano, sendo a sua desvantagem a redução da fluência da matriz
(Barbero, 1998).
As fibras contínuas mais utilizadas são as de vidro (G), as de aramida (A) e as de carbono (C)
que dão origem aos polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP), polímeros reforçados
com fibras de aramida (AFRP) e polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP),
respectivamente. Na tabela 2.1 apresentam-se as propriedades para cada um dos tipos de fibra.
Tabela 2.1 – Propriedades mecânicas das fibras utilizadas em sistemas de compósitos de FRP (adaptado de fib bulletin 14, 2001)
Fibras Características Módulo de elasticidade
(GPa)
Tensão de rotura (MPa)
Extensão última na
rotura (%)
Carbono1
Elevada resistência (HS) 215 – 235 3500 – 4800 1,4 – 2,0
Muito elevada resistência (UHS) 215 – 235 3500 – 6000 1,5 – 2,3
Elevado módulo de elasticidade (HM) 350 – 500 2500 – 3100 0,5 – 0,9
Muito elevado módulo de elasticidade (UHM) 500 – 700 2100 – 2400 0,2 – 0,4
Vidro2 E 70 1900 – 3000 3,0 – 4,5
S 85 – 90 3500 – 4800 4,5 – 5,5
Aramida Rigidez baixa 70 – 80 3500 – 4100 4,3 – 5,0
Rigidez elevada 115 – 130 3500 – 4000 2,5 – 3,5
1 As abreviaturas apresentadas referem-se aos termos em inglês onde: HS representa high strength, UHS é ultra high stength, HM é
high modulus e UHM é ultra high modulus (fib bulletin 14, 2001).
2 Existem vários subtipos de fibras de vidro (E, S, AR, C) que diferem nos valores de resistência mecânica e de resistência à
corrosão (Keller, 2003).
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
11
Na figura 2.2 apresentam-se os diagramas tensão-extensão de diferentes tipos de fibras e aços,
onde é possível verificar-se que os compósitos de FRP apresentam um comportamento linear até
à rotura, o que contrasta com o comportamento dúctil do aço.
Figura 2.2 – Relação tensão-extensão de compósitos de FRP, do aço macio e de pré-esforço
(adaptado de ACI 440, 2002)
Os compósitos de FRP apresentam tensões de rotura consideravelmente superiores às atingidas
no aço de pré-esforço. No caso das fibras de vidro verifica-se que apresentam o valor de
extensão na rotura mais elevado, mas mesmo assim com valor inferior ao atingido no aço. Em
termos de valores de módulo de elasticidade, as fibras de carbono apresentam uma clara
vantagem, sendo necessária uma deformação menor para que a sua tensão resistente seja
mobilizada (Bank, 2006; Correia, 2006).
Matriz polimérica
A matriz polimérica que envolve as fibras desempenha um conjunto de funções essenciais no
desempenho do compósito (Lubin, 1998):
• manter as fibras na posição pretendida;
• garantir a transferência e distribuição das cargas pelas fibras;
• oferece resistência à encurvadura das fibras (quando solicitadas à compressão);
• proteger as fibras dos agentes agressores ambientais.
0 1 2 3 4 5
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Carbono HM
Aramida Vidro
Cordões de aço de pré-esforço
Aço A500
Carbono HS
Extensão (%)
Ten
são
(MP
a)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
12
A matriz polimérica é constituída principalmente por resina. Esta pode ser dividida, mediante a
sua estrutura química no estado sólido, em dois grandes grupos, nomeadamente: as resinas
termoplásticas e as resinas termoendurecidas (ACI 440, 2002; Barbero, 1998).
As resinas termoplásticas apresentam uma menor resistência ao calor, podendo ser aquecidas e
moldadas sucessivamente sem sofrer alterações químicas, uma vez que as suas ligações
moleculares são realizadas por pontes de hidrogénio. No caso das resinas termoendurecidas
tem-se a formação de uma estrutura molecular tridimensional de ligações cruzadas. Apresentam
uma estrutura molecular mais forte que não pode ser derretida e moldada novamente.
Comparando os dois grupos verifica-se que as resinas termoendurecidas, devido à sua reduzida
viscosidade, permitem uma produção mais rápida, com menos custos, oferecendo melhor
qualidade ao nível de adesão e de impregnação no reforço (ACI 440, 2002; Barbero, 1998).
Na tabela 2.2 apresentam-se as principais propriedades de diferentes resinas termoendurecidas.
Tabela 2.2 – Propriedades físicas e mecânicas das resinas termoendurecidas (Firmo, 2010)
Propriedades Poliéster Viniléster Epoxídica Fenólicas
Resistência à tracção (MPa) 20 - 100 68 - 90 55 – 130 30 - 50
Módulo de elasticidade (GPa) 2,0 - 4,1 3,5 - 5,2 2,0 - 4,1 3,6
Extensão na rotura (%) 1,0 - 6,0 3,0 - 5,2 1,0 - 9,0 1,8 - 2,5
Massa volúmica (g/cm3) 1,20 - 1,30 1,12 - 1,16 1,20 - 1,30 1,00 - 1,25
Temperatura de transição vítrea (ºC) 55 – 120 102 - 280 50 - 270 260
Por vezes adiciona-se à matriz polimérica agentes de polimerização, fillers e aditivos, que
melhoram o seu comportamento.
Os fillers são materiais de natureza inorgânica que permitem reduzir os custos do produto final e
que contribuem para uma diminuição da retracção da matriz. A sua adição na matriz também
permite prevenir o desenvolvimento de fissuras em zonas de descontinuidade ou em zonas com
um teor excessivo em resinas e melhorar a resistência ao desgaste e aos agentes de degradação
ambientais. Porém, a utilização excessiva destes materiais tem como desvantagens a diminuição
da resistência mecânica e um aumento da rigidez do material compósito. Os materiais mais
utilizados como fillers incluem o carbonato de cálcio, o caulino, a alumina e o sulfato de cálcio
(Tang, 1997).
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
13
A presença de aditivos na constituição de compósitos de FRP tem como finalidade melhorar o
desempenho do material, melhorar o processamento ou simplesmente modificar certas
propriedades. Em comparação com os outros constituintes, os aditivos são utilizados em
quantidades muito pequenas. No conjunto de aditivos encontram-se os plastificantes que
reduzem a temperatura de transição vítrea dos polímeros (Firmo, 2010).
2.3. Utilização de compósitos de CFRP em reforço de estruturas
Os compósitos de CFRP destacam-se como os mais apropriados para o reforço estrutural de
elementos de betão armado devido ao alto desempenho mecânico das fibras de carbono, sendo
aplicáveis ao reforço à flexão e ao esforço transverso, ao confinamento de pilares e a sistemas
pré-esforçados (figura 2.3).
a) aplicação de reforço à flexão numa laje (website: S&P Clever Reinforcement Ibérica) b) viga reforçada à flexão e ao esforço transverso (website: S&P Clever Reinforcement Ibérica)
c) elemento de pilar confinado com sistema de CFRP (Ferreira e Barros, 2006) d) reforço pré-esforçado com varões de CFRP numa ponte (Klaiber et al, 2003)
Figura 2.3 – Exemplos de aplicação de sistemas de CFRP em reforço de estruturas
a) b)
c) d)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
14
Nas secções seguintes apresentam-se os principais processos de fabrico dos compósitos de
CFRP e explicam-se alguns aspectos a ter em conta na sua colagem na superfície de reforço.
2.3.1. Processos de fabrico dos compósitos de CFRP
Os dois métodos de fabrico de compósitos de CFRP mais utilizados em aplicações estruturais da
indústria de construção são:
• a moldagem manual (em inglês: hand lay up ou wet lay up) (figura 2.4-a);
• a pultrusão (figura 2.4-b).
a) aplicação de manta de reforço por wet lay up (website: S&P Clever Reinforcement Iberica) b) linha de montagem do processo de pultrusão (adaptado de website: Strongwell)
Figura 2.4 – Processos de fabrico dos compósitos de CFRP mais utilizados no sector da construção
Moldagem manual
A moldagem manual consiste na aplicação ou na colocação de sucessivas camadas de fibras
impregnando-as manualmente com adesivos de saturação, que ao curarem formam um elemento
de FRP sólido. Este apresenta a forma e as dimensões do molde ou da superfície em que foi
aplicado.
O processo de wet lay up é essencialmente utilizado no fabrico de painéis sanduíche e na
aplicação em obra de mantas de reforço (Lubin, 1998).
Mantas de reforço
Pré-forma
Sistema de corte
Véu de superfície
Molde aquecido Sistema de tracção
Estação de impregnação de resinas Guias
Fibras de reforço longitudinal
a) b)
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
15
Pultrusão
A pultrusão é um processo automatizado e continuo que se pode dividir em duas fases. Na
primeira fase, as fibras de reforço são impregnadas num molde com a forma pretendida para a
secção transversal, enquanto a matriz se encontra no estado líquido. Na segunda fase, a matriz
solidifica no interior do molde aquecido resultando uma peça com a forma e dimensões
desejadas.
Do processo de pultrusão resultam: laminados, varões de FRP com fibras unidireccionais e
cordões de FRP que, quando enrolados como cabos, podem ser utilizados para pré-esforçar
interiormente peças de betão (Bank, 2006; Figueira, 2008).
2.3.2. Colagem do compósito de CFRP na superfície do betão
Em sistemas de reforço, a colagem do compósito de CFRP na superfície do betão é efectuada
por adesivos que garantem a transferência de tensões nos planos de interface betão-adesivo-
CFRP, onde se verificam tensões normais e de corte ao longo do plano longitudinal. No caso
dos sistemas de compósitos curados in situ aplica-se a própria resina de impregnação das fibras,
à qual se atribui o nome de resina de saturação (Juvandes, 1999; Juvandes e Felgueiras, 2000).
Os adesivos de colagem mais utilizados em aplicações estruturais são as resinas epoxídicas, que
resultam da combinação de resinas poliméricas com materiais endurecedores.
Segundo o fib bulletin 14 (2001) a qualidade final de um adesivo epoxídico depende das
condições associadas à mistura dos seus dois componentes. Torna-se importante definir os
seguintes conceitos:
• tempo de utilização (em inglês: pot life): intervalo de tempo, após a mistura da resina
epoxídica e o endurecedor, durante o qual a mistura se encontra estado liquido;
• tempo de contacto (em inglês: open time): intervalo de tempo que decorre entre o
momento em que a resina é aplicada na superfície a colar e o instante em que esta
endurece deixando de ser possível efectuar a colagem.
Tanto o tempo de utilização como o de contacto são influenciados pela temperatura. O tempo de
utilização diminui com a temperatura e a quantidade de material a preparar devido à libertação
de calor durante o processo de cura. Por sua vez, o tempo de contacto é influenciado pela
temperatura ambiente e pela temperatura da superfície.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
16
Na tabela 2.3 resumem-se alguns dos factores responsáveis pela generalização dos agentes
epoxídicos (indicados como vantagens) e alguns problemas relativos à sua utilização (indicados
como desvantagens).
Tabela 2.3 – Principais vantagens e desvantagens dos adesivos epoxídicos (adaptado de Carvalho, 2011; Hollaway e Leeming, 1999; Mizra et al, 2002)
Adesivo Vantagens Desvantagens
Epoxídico
Trabalhabilidade variável
Elevada coesão em situação de pós cura
Retracção reduzida (quando comparado com poliésteres, acrilicos ou vinis)
Boas propriedades de secagem em variados substratos
Elevadas propriedades mecânicas (relativamente a outros adesivos)
Elevada toxicidade
Baixa resistência em situações de incêndio
Restrita gama de temperaturas de aplicação e utilização
Reduzida permeabilidade
Fraca compatibilidade térmica com a superfície de betão
Sempre que se aplica um sistema de reforço de compósitos de FRP deve-se preparar
previamente a superfície de betão. Esta deve ser rugosa e limpa de poeiras ou outros materiais
que impeçam a aderência entre betão-FRP. A rugosidade no suporte pode ser obtida com
recurso a jacto de alta pressão (de areia ou água) ou martelos de agulhas. Nos sistemas curados
in situ, este processo pode ser complementado com a aplicação na superfície de betão de um
primário e, eventualmente, de uma película de regularização em resina epoxídica (figura 2.5).
Figura 2.5 – Esquema de sistema de reforço com as diferentes camadas (adaptado de Master Builders Technologies, 1998)
revestimento protector
2.ª camada de resina de saturação
manta de CFRP
1.ª camada de resina de saturação
película de regularização
primário
suporte de betão
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
17
2.4. Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
Neste ponto do documento é abordado o reforço à flexão de vigas de betão armado com
compósitos de CFRP. Numa primeira fase são apresentados os dois principais sistemas que
permitem a aplicação do reforço. A segunda fase dedica-se a um desses sistemas,
nomeadamente o sistema de reforço por colagem externa de compósitos com adesivos
epoxídicos (sistema EBR), descrevendo o comportamento mecânico das vigas reforçadas à
flexão, os seus modos de rotura e a interface betão-compósito. Por último, referem-se alguns
aspectos relativos ao dimensionamento proposto por documentos normativos.
2.4.1. Sistemas de aplicação do reforço
O reforço de vigas de betão armado à flexão com compósitos de CFRP pode ser realizado por
meio de dois sistemas, cuja diferença reside na forma como o reforço é aplicado na viga, sendo:
• sistema de reforço por colagem externa de elementos compósitos com adesivos
epoxídicos (em inglês: epoxy bonded reinforcement system - EBR) (figura 2.3-a);
• sistema de inserção de elementos compósitos em rasgos na superfície do betão (em
inglês: near surface reinforcement system - NSMR).
Reforço por colagem externa de elementos compósitos (sistema EBR)
O sistema EBR consiste na colagem externa de CFRP na superfície do betão. O método é
aplicável à colagem de materiais pré-fabricados e materiais curados in situ. Em ambos os casos,
este tipo de aplicação de reforço implica a preparação prévia da superfície do betão na face
inferior da viga, seguido da colagem do laminado de CFRP ou aplicação da manta de CFRP por
wet lay up.
Inserção de elementos compósitos em rasgos na superfície do betão (sistema NSMR)
O sistema NSMR consiste, de modo sucinto, na abertura de rasgos efectuados no betão de
recobrimento das armaduras de acordo com uma geometria pré-definida, na limpeza dos
deteoritos resultantes da operação e na aplicação do material adesivo, seguido da inserção de
elementos pré-fabricados de CFRP nos rasgos efectuados. Tem como objectivos aumentar a
mobilização da capacidade resistente do material CFRP (por intermédio do retardamento de um
descolamento prematuro) e impedir a rápida degradação dos reforços colados exteriormente
(Carvalho, 2011; Forte et al, 2002).
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
18
2.4.2. Comportamento mecânico
A compreensão do comportamento mecânico de vigas de betão armado reforçadas à flexão com
sistemas de FRP tem sido objecto de estudo em diversos trabalhos de investigação. Dos estudos
realizados concluiu-se que o comportamento das vigas reforçadas à flexão por sistemas EBR
face a um carregamento até a rotura se pode caracterizar, de forma simplificada, pela relação
multilinear carga-deslocamento. Esta relação, esquematizada na figura 2.6, pode ser
caracterizada pelas seguintes fases (Azevedo, 2008; Ross et al, 1999):
• Estado 1 – corresponde ao comportamento elástico da estrutura e permanece válido até
se atingir, numa secção, a resistência à tracção do betão, desenvolvendo-se a partir daí a
fendilhação;
• Estado 2 – caracterizado pelo comportamento elástico das armaduras de aço e
propagação da fendilhação no betão;
• Estado 3 – inicia-se com a plastificação das armaduras de aço e absorção dos
incrementos de tensão de tracção pelo sistema de FRP até ao betão atingir a sua
resistência máxima;
• Estado 4 – pode ocorrer o destacamento do FRP antes do esmagamento do betão, sendo
este comportamento influenciado pela classe do betão, percentagem de armaduras
ordinárias e percentagem de reforço aplicada.
1: início da fendilhação do betão; 2: cedência das armaduras; 3: resistência máxima do betão à compressão; 4: destacamento do CFRP; 5: rotura do CFRP
Figura 2.6 – Relação carga-deslocamento de vigas reforçadas à flexão com CFRP (adaptado de Ross et al, 1999)
Deslocamento
Estado 4 Betão traccionado fendilhado Aço com comportamento elasto-plástico Resistência máxima do betão à compressão
Estado 3 Betão traccionado fendilhado Aço com comportamento elasto-plástico
Estado 2 Betão traccionado fendilhado
Estado 1 Comportamento elástico
1
2
3
4 5 C
arga
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
19
Existem diversos factores que afectam o comportamento mecânico das vigas reforçadas à flexão
com CFRP, entre os quais a percentagem de reforço aplicado. Kelley et al (2000) refere que o
aumento da percentagem de reforço reduz consideravelmente a ductilidade das peças. Esta
constatação torna-se evidente quando se compara o diagrama momento-curvatura da viga não
reforçada com o da viga com uma percentagem elevada de reforço (figura 2.7).
1: início da fendilhação do betão; 2: cedência das armaduras; 3: resistência máxima do betão à compressão; 4: destacamento do CFRP; 5: rotura do CFRP
Figura 2.7 – Relação momento-curvatura de vigas reforçadas à flexão com CFRP (Kelley et al, 2000)
Na figura anterior verifica-se que o aumento da percentagem de reforço permite a diminuição da
curvatura (associado ao aumento da rigidez de flexão) e o acréscimo da capacidade de carga
máxima (desprezando a ocorrência de mecanismo de rotura prematuros).
Observa-se também que o andamento dos diagramas diverge a partir do momento flector que
provoca a cedência das armaduras (ponto 2, figura 2.7), o que demonstra que a principal
contribuição do reforço acontece após este fenómeno.
2.4.3. Modos de rotura
O conhecimento do modo de rotura de vigas reforçadas à flexão com CFRP é crucial para a
definição de critérios de dimensionamento e verificação de segurança.
Curvatura
4
Sem reforço
1 1 1 1
2 2
3
2 2
3
3
5
4
5
4 5
5
Percentagem de reforço média
Percentagem de reforço baixa
Percentagem de reforço elevada
Mom
ento
fle
ctor
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
20
Recorrendo à figura 2.6 torna-se claro que a capacidade de carga do elemento reforçado pode
variar bastante consoante o modo de rotura, podendo este ocorrer no “estado 2” (sem
plastificação das armaduras) ou nos “estado 3” ou “estado 4” (Azevedo, 2008).
Firmo (2010) refere que o comportamento mais desejável para um sistema de reforço à flexão
seria aquele que tiraria o máximo partido da resistência de todos os materiais, traduzindo-se pela
cedência das armaduras ordinárias, seguida de esmagamento de betão comprimido com o CFRP
intacto. Nem sempre é possível verificar este modo de rotura, pelo que é necessário analisar
todos os casos possíveis. De seguida, apresentam-se os modos de rotura definidos pelos
documentos, pela seguinte ordem: ACI 440 (2002), fib bulletin 14 (2001), JSCE (2001) e TR55
(2000).
ACI 440 (2002)
O ACI 440 (2002) apresenta recomendações para os seguintes modos de rotura:
• esmagamento do betão em compressão antes da cedência das armaduras de aço;
• cedência das armaduras de aço traccionadas, seguida de rotura do compósito de FRP;
• cedência das armaduras de aço traccionadas, seguida de esmagamento do betão;
• delaminação do betão de recobrimento;
• descolamento do compósito de FRP do suporte de betão.
Os três primeiros modos de rotura são considerados como roturas clássicas e os dois últimos
relacionam-se com a perda de acção do compósito de FRP, sendo designados por delaminações.
fib bulletin 14 (2001)
O fib bulletin 14 (2001) divide os modos de rotura, de acordo com a figura 2.8, em:
• roturas com acção total do compósito de FRP;
• roturas por perda da acção resistente do compósito de FRP.
No primeiro grupo, as interfaces entre materiais mantêm-se intactas até que ocorra o
esmagamento do betão ou até que o próprio compósito de FRP atinja a tensão limite de tracção.
Por sua vez, os modos de rotura por perda da acção resistente do compósito de FRP ocorrem
essencialmente a perda de ligação entre materiais (Azevedo, 2008; fib bulletin 14, 2001).
Capítulo 2
Figura 2.8 – Modos de rotura
14, 2001)
O fib bulletin 14 (2001) refere que as
diferentes interfaces (figura 2.9
• no betão próximo da superfície, na camada de recobrimento de betão ou numa camada
mais fraca no betão;
• entre o betão e o adesivo ou entre o adesivo e o FRP (falha de adesão)
normalmente quando existe má prep
• no adesivo (falha de coesão)
com temperaturas elevadas ou betões com resistência elevada;
• no interior do FRP (rotura interlaminar por corte)
fendas é mais conveniente no compósito do que no betão;
de elevada resistência.
Acção total do compósito de FRP
plastificação da armadura ordinária
seguida de esmagamento do betão
plastificação da armadura ordinária
seguida de rotura do FRP
esmagamento do betão
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
Modos de rotura de vigas reforçadas à flexão com CFRP (adaptado de
(2001) refere que as roturas por perda de aderência podem ocorrer em
ra 2.9), sendo as mais comuns:
no betão próximo da superfície, na camada de recobrimento de betão ou numa camada
entre o betão e o adesivo ou entre o adesivo e o FRP (falha de adesão)
normalmente quando existe má preparação da superfície;
no adesivo (falha de coesão) – não é muito comum, mas pode acontecer em ambiente
com temperaturas elevadas ou betões com resistência elevada;
no interior do FRP (rotura interlaminar por corte) – quando o efeito de propagação de
é mais conveniente no compósito do que no betão; está relacionado com betões
de elevada resistência.
Modos de rotura
Acção total do compósito de FRP
plastificação da armadura ordinária
seguida de esmagamento do betão
plastificação da armadura ordinária
seguida de rotura do
esmagamento do betão
Perda da acção resistente do compósito de FRP
destacamento do sistema de FRP na zona de amarração sem
fendilhação do betão
destacamento do sistema de FRP motivado por fendas de flexão
destacamento do sistema de FRP por movimentos horizontais e verticais nas faces das fendas
destacamento do sistema de FRP devido a irregularidades na
superfície do betão
Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
21
adaptado de fib bulletin
roturas por perda de aderência podem ocorrer em
no betão próximo da superfície, na camada de recobrimento de betão ou numa camada
entre o betão e o adesivo ou entre o adesivo e o FRP (falha de adesão) – ocorre
não é muito comum, mas pode acontecer em ambiente
quando o efeito de propagação de
relacionado com betões
Perda da acção resistente do compósito de FRP
destacamento do sistema de FRP na zona de amarração sem
fendilhação do betão
destacamento do sistema de FRP motivado por fendas de flexão
destacamento do sistema de FRP por movimentos horizontais e verticais nas faces das fendas
destacamento do sistema de FRP devido a irregularidades na
superfície do betão
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
22
Figura 2.9 – Interfaces de rotura dos sistemas de FRP (adaptado de fib bulletin 14, 2001)
É comum na literatura técnica denominar as roturas com destacamento do sistema de FRP como
roturas prematuras. As roturas prematuras estabelecem uma preocupação maior, pois ocorrem
de modo brusco e repentino, devendo ser a todo o custo evitadas. O destacamento do FRP
acontece em zonas com elevada concentração de tensões, estando normalmente associado à
existência de descontinuidades dos materiais e à presença de fendas (fib bulletin 14, 2001).
Nos ensaios à flexão o destacamento prematuro do sistema de FRP é descrito como peeling off.
Na figura 2.10 identificam-se os diferentes modos de rotura por peeling off em função da zona
onde se iniciam da seguinte forma (fib bulletin 14, 2001):
• modo I – destacamento do FRP na zona de ancoragem sem fendilhação do betão por
presença de elevadas tensões de corte;
• modo II – destacamento do FRP por fendas de flexão no betão que se propagam
horizontalmente pela interface betão-compósito, provocando o destacamento do reforço
em zonas afastadas da extremidade do laminado;
• modo III – destacamento do FRP por irregularidades na superfície de betão, sendo estas
normalmente associadas à má preparação da superfície que conduz à presença de forças
de desvio na zona mais traccionada do compósito;
• modo IV – destacamento do FRP por fendas de corte motivadas por movimentações
verticais e horizontais nas faces das fendas que promovem o aumento das tensões na
camada superfícial do betão.
Destaque entre o betão e o adesivo
Destaque no betão
Destaque no adesivo
Destaque entre o adesivo e o FRP
Betão
Adesivo
FRP
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
23
Figura 2.10 – Modos de rotura por peeling off (adaptado de fib bulletin 14, 2001)
JSCE (2001)
O JSCE (2001) refere modos de rotura muito semelhantes aos apresentados no ACI 440 (2002),
considerando:
• cedência das armaduras de aço, seguida de rotura do compósito de FRP;
• cedência das armaduras de aço, seguida de esmagamento do betão;
• esmagamento do betão;
• perda de ancoragem do compósito de FRP;
• rotura na interface betão-FRP por desenvolvimento de fendas de flexão e de corte.
TR55 (2000)
O TR55 (2000) considera como modos de rotura:
• esmagamento do betão;
• rotura pelo compósito de FRP.
O relatório refere que está comprovado experimentalmente que a ocorrência de rotura pelo
compósito de FRP é muito rara, sendo que o que acontece normalmente é a separação do
laminado de FRP por descolagem.
modo I modo II modo III modo IV
zona não
fendilhada
zona não
fendilhada
zona fendilhada
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
24
2.4.4. Interface betão-compósito
Actualmente, como resultado de várias investigações, sabe-se que o desempenho do sistema
EBR depende do comportamento do adesivo/resina e da ligação do compósito com a superfície
de betão, pelo que o conhecimento da interface requer especial atenção.
O comportamento da interface é caracterizado pelas relações constitutivas correspondentes à
actuação das tensões normais e de corte (Azevedo, 2008). Segundo Silva et al (2000) a relação
constitutiva relativa às tensões de corte estabelece-se entre a tensão de corte e o escorregamento
da junta.
O estudo da ligação betão-compósito pode ser realizado por diferentes configurações de ensaios.
Nos últimos anos assistiu-se ao desenvolvimento dos chamados modelos de aderência que
permitem o conhecimento da ligação betão-compósito. Com o estudo das possíveis distribuições
de tensões, diversos autores propuseram leis constitutivas do comportamento da ligação betão-
compósito, desenvolvendo modelos de comportamento.
De seguida apresentam-se, de forma sucinta, algumas considerações relativas aos modelos de
aderência e aos modelos de comportamento.
Modelos de aderência
O comportamento da interface betão-compósito depende do tipo de ensaio adoptado. Os
modelos de aderência que simulam o comportamento da ligação mais utilizados são:
• os ensaios de flexão com entalhe a meio vão (figura 2.11-a);
• os ensaios de corte de junta simples;
• os ensaios de corte de junta dupla (figura 2.11-b).
a) modelo de flexão com entalhe a meio vão b) modelo de corte de junta dupla
Figura 2.11 – Representação esquemática de modelos de aderência (adaptado de fib bulletin 14,
2001)
a) b)
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
25
Nos parágrafos seguintes dá-se especial atenção ao modelo de flexão com entalhe a meio vão
por ser o tipo de ensaio utilizado no estudo experimental desenvolvido na presente dissertação.
Nos modelos de flexão as tensões de aderência no adesivo devem-se, em parte, à variação dos
momentos flectores e, por outro lado, à introdução de forças nas zonas de ancoragem,
resultando na concentração de tensões de tracção e de corte nas extremidades livres dos reforços
(Azevedo, 2008).
Na figura 2.12 apresenta-se a distribuição das tensões de corte (τ) e normais (σ) ao longo do
comprimento do laminado de FRP num modelo de flexão sujeito a carregamento a meio vão.
Figura 2.12 – Distribuição de tensões de corte e normais ao longo do comprimento do FRP no
modelo de flexão (adaptado de Silva, 2008)
Modelos de comportamento
Os modelos de comportamento permitem a modelação aproximada do comportamento da
ligação betão-compósito. Azevedo (2008) classifica-os em:
• modelos de resistência de materiais (teoria linear elástica);
• modelos de fractura (teoria mecânica da fractura).
τ
σ
distância ao longo do FRP
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
26
Os modelos de resistência de materiais permitem a determinação da distribuição das tensões
normais e de corte ao longo da interface com o intuito de prever o destacamento do FRP. Estes
modelos têm como base soluções analíticas formuladas a partir das:
• propriedades elásticas dos materiais;
• propriedades geométricas da ligação;
• características do carregamento.
Nas formulações desenvolvidas por diversos autores, o destacamento do FRP é controlado pela
imposição de um valor limite para as tensões normais e de corte, pela utilização de critérios de
cedência para o betão sujeito a estados de tensão biaxiais ou por critérios de rotura do tipo
Mohr-Coulomb (Azevedo, 2008).
Relativamente aos modelos de fractura tem-se a análise do comportamento da ligação na
proximidade de uma fenda considerando, por hipótese, que o destacamento do sistema de FRP é
promovido essencialmente pela propagação de uma fenda. Os vários modelos existentes servem
como base de cálculo para as tensões de aderência, comprimentos efectivos3 e forças últimas
atingidas em vigas reforçadas e visam a definição de leis de comportamento tensão-
escorregamento na interface. Juvandes (1999) afirma que a precisão dos modelos de fractura
depende da forma como se determina a energia de fractura (G$) na interface (energia necessária
para dissipar até obter a degradação total da ligação). Segundo Silva et al (2000) o valor de G$ corresponde à área definida pela relação constitutiva adoptada.
Todas as leis constitutivas desenvolvidas pressupõem o conhecimento da tensão de aderência
máxima (τmax) e de dois parâmetros relacionados com o deslizamento na interface betão-
compósito (s& e s') (Azevedo, 2008; Lucas, 2010). Actualmente, o valor de τmax ainda não
reúne consenso na comunidade cientifica, pelo que existem diversas propostas. Na tabela 2.4
apresentam-se algumas dessas propostas.
3 O comprimento efectivo de ligação corresponde ao comprimento onde efectivamente as tensões estão distribuídas. Para a compreensão desta designação é necessário analisar o comportamento das tensões nos ensaios de corte simples; em estado de tensão pura, a tensão média de corte na ligação tem tendência a diminuir quando a área de ligação aumenta porque a tensão não está distribuída em toda a área do comprimento de ligação (Lucas, 2010).
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
27
Tabela 2.4 – Propostas para a avaliação das tensões de aderência máximas (adaptado de Teng et
al, 2005)
Autor(es) ββββwwww ττττmaxmaxmaxmax
Neubauer e Rostasy (1999) (1,125 . 2 - bf/ bc1+bf/ 400 1,8 .βw .ft
Nakaba et al (2001) -- 3,5 . fc0,19
Monti et al (2003) (1,5 . 2 - bf/ bc1+bf/ 100 1,8 .βw .ft
Lu et al (2004) ( 2,25 - bf/ bc1,25+bf/ 400 1,5 . βw . ft
Na tabela 2.4 tem-se que βw é o coeficiente que relaciona a geometria do provete com a do
sistema de reforço, bf é a largura do sistema de reforço, bc é a largura da secção do betão, ft é a
tensão de rotura à tracção do betão e fc é a tensão de compressão do betão.
2.4.5. Propostas de dimensionamentopara o controlo de roturas prematuras
O dimensionamento de sistemas de FRP à flexão tem como base os principios dos estados limite
último (ELU) e de utilização (ELUt), sendo que apenas o primeiro será apresentado neste ponto.
Verificação de segurança ao ELU segundo ACI 440 (2002)
Em todas as verificações de segurança ao ELU à flexão, o ACI 440 (2002) refere como válidos
os seguintes principios:
• os cálculos de dimensionamento são baseados nas dimensões existentes, na disposição
das armaduras e nas propriedades do elemento a ser reforçado;
• admite-se a ligação perfeita entre o betão e o sistema de reforço (despreza-se a
deformação por corte no adesivo);
• as extensões no reforço, nas armaduras e no betão são directamente proporcionais à
distância à linha neutra, isto é, as secções mantêm-se planas após o carregamento
(principio de Euler-Bernoulli);
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
28
(2.1)
• a resistência do betão à tracção é desprezada;
• o compósito de CFRP apresenta um comportamento linear até à rotura.
A verificação de segurança ao ELU de flexão pressupõe a verificação da seguinte expressão:
Mn ≥ Mu
onde Mn é o momento flector resistente, definido no ACI 440 (2002) como capacidade de
flexão, e Mu é o momento flector actuante de cálculo.
O cálculo do momento Mn baseia-se no método do diagrama rectangular, assumindo como
válidos os princípios apresentados anteriormente. Na figura 2.13 apresenta-se o esquema de
distribuição de extensões e tensões numa secção genérica (ACI 440, 2002):
a) secção da viga reforçada; b) distribuição de extensões;
c) distribuição de tensões; d) distribuição de tensões (equivalente)
Figura 2.13 – Análise da secção para o ELU à flexão (ACI 440, 2002)
onde h é a altura da viga sem reforço, d é a altura útil da viga, b é a largura da viga, As é a área
da armadura ordinária de tracção, c é a profundidade da linha neutra, εc é a extensão no betão, εs é a extensão na armadura ordinária de tracção, fs é a tensão na armadura ordinária de tracção, ff é a tensão no compósito de FRP, β: é o rácio entre a profundidade rectangular de tensões com
a profundidade da linha neutra, fc é a tensão no betão e γ é o multiplicador da tensão de
compressão do betão.
As h d
b
c
εc
εs
βl . c
f<
f<
γ . f
f$ f$ a) b) c) d)
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
29
De acordo com a figura anterior, o Mn é traduzido pela seguinte expressão:
Mn = ψf . Af . ff. >h - 0,5 . β:. c?+ As . fs . >d - 0,5 . β:. c?
em que Af é a área do reforço, δ@ é o factor de redução aplicado à linha neutra e ψ$ é o factor de
redução aplicado à contribuição de flexão no FRP, cujo valor recomendado é 0,85.
O cálculo de Mn pressupõe a determinação dos coeficientes e parâmetros apresentados na figura
2.13 e na equação 2.2, sendo o processo de cálculo realizado pelos seguintes passos:
• estimativa inicial da posição de linha neutra;
• determinação dos valores limite entre os domínios da deformação;
• verificação dos domínios de deformação;
• determinação das tensões;
• determinação da nova posição da linha neutra;
• verificação do critério de convergência entre a linha neutra inicial e a nova posição;
• determinação de MRd.
A profundidade linha neutra é determinada por iterações. Inicia-se com a adopção de um valor e
termina quando o valor obtido provoca o equilíbrio das forças internas na secção rectangular e
garante a compatibilidade de extensões. O valor da profundidade da linha neutra (c) é
determinado por:
c = A< . f< + A$ .f$γ. A:. f. b
A determinação das tensões é feita com base no comportamento dos elementos em termos de
tensão-extensão. A tensão nas armaduras (f<) é calculada com base no comportamento elástico-
plástico do aço e o cálculo da tensão no FRP (f$) devido à flexão, antes da rotura, implica a
consideração de um comportamento elástico perfeito, de acordo com as seguintes expressões:
fs=Es. εs ≤ fy
f$ = E$. ε$
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
30
(2.8)
(2.9)
em que Es é o módulo de elasticidade da armadura, εs é a extensão na armadura ordinária de
tracção, fy é a tensão última na armadura, E$ é o módulo de elasticidade do FRP e ε$ é a
extensão no FRP.
Os valores de extensão na armadura e no FRP são dadas, respectivamente, por:
εs = (εf + εbi). Dd - ch - cE
εf = εcu . Dh - cc E - εbi
onde εbi é a extensão inicial e εcu é a extensão última do betão.
As recomendações apresentadas de seguida referem-se a propostas de dimensionamento de
sistemas de compósitos de FRP à flexão para o controlo de modos de rotura indesejáveis, isto é,
roturas que diminuam a eficácia do sistema. À semelhança da secção anterior apresentam-se as
propostas dos documentos ACI 440 (2002), fib bulletin 14 (2001), JSCE (2001) e TR55 (2000).
ACI 440 (2002)
O ACI 440 (2002) propõe a limitação da extensão última no FRP (ε$F) pelo coeficiente k, cujo
valor não pode ser superior a 0,90. O valor do coeficiente k tem em conta as características do
sistema de reforço e é dado pela expressão:
km = GHI 160 . εfu . D1 - nf . Ef . tf360000 E ≤ 0,90 ; nf . Ef . tf ≤180000160 . εfu . D1 - 90000nf . Ef . tfE ≤ 0,90 ; nf . Ef . tf>180000 M
em que n$ é o número de lâminas de FRP e t$ é a espessura do sistema de reforço.
O valor obtido deve ser multiplicado pelo valor de extensão última no FRP (ε$F) de modo a
obter-se o valor de dimensionamento (ε$), de acordo com a seguinte equação:
ε$ ≤ k. ε$F
(2.6)
(2.7)
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
31
fib bulletin 14 (2001)
Segundo o fib bulletin 14 (2001) a análise de mecanismos de roturas prematuras pode ser
realizada através de uma série de verificações específicas, sendo bastante mais detalhadas do
que nos restantes documentos. O fib bulletin 14 (2001) analisa quatro mecanismos de rotura
distintos por perda de acção do material compósito, sendo:
• Mecanismo 1 – destacamento em fendas de corte;
• Mecanismo 2 – destacamento em fendas de flexão/zona de ancoragem;
• Mecanismo 3 – falha por corte nas extremidades de reforço;
• Mecanismo 4 – destacamento por irregularidades na superfície de aplicação.
De seguida apresenta-se a formulação que o documento apresenta para cada um dos referidos
mecanismos, à excepção do Mecanismo 4 por não existirem formulações específicas.
Mecanismo 1 – O mecanismo de destacamento de FRP em fendas de corte está associado a
factores como o deslocamento por abertura vertical, a rigidez de corte e de flexão dos materiais
FRP e da tensão de tracção do betão. Para evitar destacamento do FRP por fendas de corte, o fib
bulletin 14 (2001), propõe a limitação da tensão de corte do betão (τNO) pelo coeficiente
equivalente de reforço longitudinal (ρQR), pelas seguintes expressões:
τNO = 0,38 + 151. ρQR
ρQR = A< + A$. STSUb. d
Mecanismo 2 – A perda de acção do compósito por peeling-off na zona de ancoragem ou na
zona das fendas de flexão é abordado no anexo A do fib bulletin 14 (2001), em três
aproximações possíveis.
A aproximação A.1 refere-se à limitação da extensão última no FRP (VW,XYZ) no ELU e a
verificações na zona de ancoragem utilizando métodos, na sua maioria, baseados em
mecanismos de rotura e tensões de colagem. Um desses mecanismos de fractura é o de
Holzenkämpfer (1994), alterado por Neubauer and Rostásy (1997), que propõe para os valores
da força máxima de ancoragem (N$[,\]? e do comprimento máximo de ancoragem (L_,\]) as
seguintes equações:
(2.10)
(2.11)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
32
N$[,[] = α. c'. k. k_.b. aE$.t$. fb
L_,[] = ( E$. t$cc. fb
Na equação 2.12 α representa o factor de redução e tem o valor de 0,9. Contempla a influência
das fendas inclinadas do betão na ligação (Neubauer and Rostásy, 1999). No caso de existirem
armaduras com capacidade resistente suficiente ao esforço transverso, este factor pode ser
considerado 1,0. Por sua vez, o factor k tem em conta a compactação do betão, adoptando-se
1,0 ou 0,67, dependendo do contacto ou não da face de reforço com o betão. Finalmente, o
termo k_ tem em conta a geometria da peça e é calculado segundo a expressão:
k_ = 1,06 . d 2 − __T1 + _Tfgg ≥ 1 ; bb$ ≥ 13
Nas três equações anteriores é importante salientar que b e b$ são medidos em mm, E$ e fb são
medidos em MPa e c' e cc podem ser obtidos experimentalmente. Para os compósitos de CFRP,
o valor de c' e cc é 0,64 e 2, respectivamente. Se o comprimento de ancoragem (L_) for inferior
ao comprimento de ancoragem máximo (L_,[]) utiliza-se a expressão:
N$[ = N$[,[] . L_L_,[] . >2 − L_L_,[]?
Na aproximação A.2 apresenta-se um método que permite calcular a tensão máxima de tracção
que pode ser transferida pela interface de ligação dos materiais, entre duas fendas consecutivas.
Resumidamente, o método de cálculo pressuposto propõe:
• determinação das zonas mais desfavoráveis de fendas de flexão;
• determinação da força de tracção dentro do sistema entre duas fendas;
• cálculo da tensão máxima de tracção na interface.
(2.12)
(2.13)
(2.14)
(2.15)
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
33
Por último, a aproximação A.3 implica verificações no final da ancoragem (como na
aproximação A.1) e a limitação da transferência de força na interface FRP-betão. As tensões de
corte (τ_) são limitadas para evitar a perda de aderência do compósito pela equação seguinte:
τ_ = ∆N$jb$ . ∆]
onde ∆] é a distância entre duas secções, b$ é a largura do FRP e ∆N$j a diferença de esforço
axial entre as duas secções.
A limitação de τ_ é feita tendo como limite a tensão de aderência do betão (f_j). Ao adoptar o
modo de rotura de Mohr-Coulomb e, caso as tensões normais sejam nulas, o valor de f_j é
cerca de 1,8 vezes a tensão resistente de tracção (fb).
Mecanismo 3 – Para as roturas devido à ocorrência de fendas de corte na extremidade do FRP,
o fib bulletin 14 (2001) refere que a rotura em causa pode ser controlada pela seguinte equação,
onde o valor resistente da força de corte (VNj) tem de ser superior ao valor actuante (Vlj):
Vlj ≤ VNj
Esta verificação tem em conta a formulação de Jansze (1997) que sugere que o mecanismo de
rotura cria um vão ficticio (am) de esforços de corte sugerido na figura 2.14.
Figura 2.14 – Modelo de análise da rotura por fenda de corte junto à extremidade do FRP
(adaptado de fib bulletin 14, 2001)
O cálculo do valor de VNj, da tensão de corte do betão (τNj? e do parâmetro am é dado pelas
seguintes equações:
am
Betão
Adesivo
FRP
(2.16)
(2.17)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
34
VNj = τNj . b . d
τNj = 0,15 (3 damn . o1 + (200d p . a100 . ρ< . fbOn
am = (>1 − aρ<?cρ< dLqr
em que ρ< é a percentagem de armadura ordinária de tracção, L é a distância do final do FRP ao
apoio e fbO é a tensão de compressão característica do betão.
JSCE (2001)
Segundo o JSCE (2001) a prevenção de uma rotura por peeling off devido a fendas de flexão e
esforço transverso obtém-se pela limitação do valor máximo da tensão de tracção existente entre
fendas (Δσf), calculado pela seguinte expressão:
∆σ$ = (2 . G$ . E$n$ . t$
onde G$ é o valor de energia de fractura, E$ é o módulo de elasticidade do FRP, n$ é o número
de camadas de FRP e t$ é a espessura do reforço. O valor de G$, caso não existam ensaios
experimentais, é 0,5 N/mm.
TR55 (2000)
O TR55 (2000) defende que se deve verificar sempre a falha por separação na zona de
ancoragem do laminado. Previne-se este tipo de rotura estendendo a zona de ancoragem do FRP
(definido como o ponto de cut-off) para além do ponto teórico e limitando o valor de esforço de
corte longitudinal entre o FRP e a superfície do betão a 0,8N/mm2. Se a força máxima no FRP
quando colado ao betão for conhecida (Tk,max), o ponto de corte teórico pode ser determinado.
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
Capítulo 2 – Reforço à flexão de vigas de betão armado com CFRP
35
O ponto de cut-off é obtido prolongando o comprimento da ancoragem (lt,max) de forma a passar
para além do ponto de corte teórico. Estima-se os valores de TO,[] e lb,[] pelas seguintes
equações, respectivamente
TO,[] = 0,5 . k_. b$ . aE$j. t$ . fb
lb,[] = 0,7 . (E$j. t$fb ≥ 500 mm
em que b$ é a largura do reforço, t$ é a espessura do FRP, fb é a força de tracção do betão, E$j
é o módulo de elasticidade de dimensionamento do FRP e k_ é o parâmetro definido pela
seguinte equação:
kb = 1,06 . d 2 - bfb1+ bf400 ≥ 1,0
Para a obtenção do valor do E$j tem-se a seguinte expressão:
Efd = EukγmE
onde o valor do módulo de elasticidade do FRP característico (EuO) é reduzido pelo coeficiente
parcial do FRP (γS), cujo valor recomendado é 1,1.
Em termos de prevenção de destacamento do FRP, o TR55 (2000) define que se deve limitar a
extensão do FRP em 0,8% quando a carga está uniformemente distribuída ou 0,6% se a
combinação entre as forças de corte elevadas e os momentos flectores existe, continuando com
o mesmo processo de cálculo baseado no equilíbrio de forças internas e de momentos.
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
36
STUDY OF THE BEHAVIOR OF BEAMS REINFORCED WITH CFRP
Capítulo 3 – Degradação ambiental
37
Capítulo 3
DEGRADAÇÃO AMBIENTAL
DO BETÃO E DOS SISTEMAS DE FRP
3.1. Considerações gerais
Neste capítulo apresenta-se uma pesquisa bibliográfica que procura servir de referência ao
programa de envelhecimento desenvolvido no estudo experimental da presente dissertação.
Na primeira parte do capítulo, analisam-se, separadamente, os principais agentes de degradação
ambiental do betão e dos sistemas de FRP e descrevem-se os factores ambientais mencionados
no ACI 440 (2002) para o dimensionamento do sistema de reforço. Na segunda parte do
capítulo, apresentam-se alguns trabalhos de investigação relacionados com a avaliação do
comportamento de vigas de betão armado reforçadas com compósitos de FRP face a exposições
ambientais, dando ênfase a estudos com envelhecimento acelerado (imposição de ciclos).
3.2. Degradação ambiental
A durabilidade de uma estrutura de betão reforçada com compósitos de FRP relaciona-se com a
sua capacidade de resistir às acções ambientais, ataques químicos, efeitos físicos ou outros
processos de deterioração, mantendo as suas características de acordo com o nível exigido.
As propriedades físicas e químicas do betão, das fibras e das resinas alteram-se ao longo do
tempo, em função das características dos componentes dos materais utilizados e da resposta
destes às condicionantes do meio ambiente. Torna-se, portanto, importante conhecer os
mecanismos de degradação ambiental e o impacto a longo prazo que os agentes de degradação
têm na funcionalidade de estruturas de betão reforçadas com compósitos de FRP.
3.2.1. Influência das acções ambientais sobre o betão
A caracterização da agressividade do ambiente onde as estruturas de betão se inserem deve ter
em conta não só as condições hidro-térmicas, isto é a temperatura e a humidade, mas também os
contaminantes que interfirão no ataque ao betão e armaduras (Coutinho, 2005).
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
38
A humidade ambiental interfere em todos os processos de deterioração do betão, alterando a
humidade no interior do próprio betão. Em geral, o betão tem mais humidade do que o meio
ambiente que o rodeia, uma vez que a sua capacidade de reter água é superior à capacidade de a
perder. Relativamente à temperatura, sabe-se que influi na velocidade das reacções químicas,
razão pela qual em ambientes tropicais a agressividade é consideravelmente mais elevada
quando comparada com a dos climas do Norte da Europa. Em termos de agentes químicos
ambientais, tem-se o dióxido de carbono, as águas, os ácidos, os sulfatos e cloretos e os álcalis
como os principais responsáveis pela deterioração do betão. O dióxido de carbono provoca a
carbonatação do betão, o oxigénio e os cloretos promovem a corrosão das armaduras, os ácidos
atacam o cimento, os sulfatos podem reagir expansivamente com os cimentos e os álcalis podem
reagir com os agregados (Coutinho, 2005).
A durabilidade de um betão está directamente relacionada com a sua porosidade (tamanho e
distribuição dos poros) e com os mecanismos de penetração dos agentes agressivos (dióxido de
carbono, água, soluções ácidas, oxigénio, sulfatos e cloretos). Considera-se que a porosidade do
betão define a facilidade de penetração e movimentação no interior do betão de fluídos, líquidos
ou gases. Estes podem movimentar-se dentro do betão por permeação (diferenças de pressão),
difusão (diferenças de concentração de tensões) e absorção (por sucção capilar ou através de
fissuras).
Normalmente os mecanismos de transporte estão associados entre si, sendo um deles
predominante, dependendo das características do betão. Em betões suficientemente
compactados e sem fissuras, a difusão é o fenómeno mais importante. Se o betão é mais poroso
e com fissuras, a absorção será o mecanismo preponderante (Costa, 2011; Coutinho, 2005).
De seguida apresenta-se, de forma sucinta, a influência ambiental sobre o betão decorrente dos
seguintes processos:
• exposição aos ácidos;
• ataque de sulfatos e penetração de cloretos;
• deterioração pela água do mar e por águas puras;
• reacções alcalinas;
• exposição a temperaturas extremas.
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
39
Exposição aos ácidos
O ataque de ácidos pressupõe a reacção destes com o hidróxido de cálcio do betão,
transformando-o em sais do ácido agressivo, tendo como consequência a decomposição da pasta
de cimento. O nível de deterioração do betão depende do grau de solubilidade do sal
proveniente da reacção, isto é, quanto mais solúvel for o sal formado e quanto mais rápido for o
seu arrastamento na solução, mais intensa será a deterioração do betão (Coutinho, 2005).
Ataque de sulfatos e penetração de cloretos
O ataque por sulfatos com os aluminatos pode ocorrer no cimento hidratado ou nos agregados,
manifestando-se pela expansão do betão e perda progressiva de resistência e massa devido à
deterioração na coesão dos compósitos do cimento. Por sua vez, a penetração de cloretos para o
interior do betão conduz à conservação da humidade, aumentando o risco de corrosão das
armaduras pela diminuição da resistividade eléctrica do betão (Costa, 2011).
Deterioração pela água do mar e por águas puras
A água do mar contém oxigénio, dióxido de carbono e, ainda, sais (CEB, 1992). Segundo Chen
e Liew (2003) a água do mar é constituída por 3,2% de cloretos e 0,3% de sulfatos. Entre os sais
presentes na água do mar, os cloretos são os que remetem para a maior preocupação, uma vez
que estão relacionados com a corrosão nas armaduras.
No caso das águas puras verifica-se que, devido ao seu elevado poder dissolvente, ocorre a
dissolução do hidróxido de cálcio e consequente lixiviação da pasta de cimento. A agressividade
das águas puras depende da sua renovação; o ataque é mais agressivo em água corrente do que
água parada (Coutinho, 2005).
Reacções alcalinas
As reacções alcalinas resultam da interacção entre agregados de silício e a solução alcalina
resultante da hidratação do cimento. A reacção produz um gel que absorve água, resultando em
fendilhação e dilatação do betão. Coutinho (2005) refere que as piores condições de ataque por
reacções alcalinas são ambientes sujeitos a ciclos molhagem/secagem, sendo, nestes casos,
necessário considerar uma protecção adicional impermeabilizante.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
40
Exposição a temperaturas extremas
A influência da temperatura no comportamento mecânico do betão deve-se à sua constituição
porosa que permite o armazenamento de água. Quando o betão é sujeito a temperaturas baixas,
o congelamento de água nos poros permite o aumento do volume em cerca de 9%.
A acção cíclica da temperatura provoca o aumento e diminuição dos poros do betão, conduzindo
à sua fissuração e deterioração. Para que a deterioração seja significativa os poros do betão
devem estar saturados, as temperaturas devem atingir valores significativamente abaixo dos 0ºC
e os ciclos gelo/desgelo devem ser repetidos (Costa, 2011).
Face a temperaturas elevadas, a deterioração do betão dá-se devido à expansão dos agregados
que desenvolvem tensões em função do coeficiente de dilatação térmica (Souza e Ripper, 1998).
Como consequência, a resistência mecânica do betão diminui e verifica-se o aumento da
deformabilidade podendo levar ao eventual colapso da estrutura, à carbonatação do betão e à
contaminação por cloretos.
Em situações de fogo a desidratação dos componentes da pasta de cimento altera a estrutura dos
silicatos com perda significativa da resistência. Aos 300ºC os silicatos e aluminatos perdem
parte da água quimicamente combinada, aos 500ºC o hidróxido de cálcio começa a decompor-se
e aos 900ºC dá-se a decomposição total dos silicatos de cálcio (Costa, 2011).
Na figura 3.1 apresentam-se dois exemplos dos efeitos decorrentes da exposição a temperaturas
extremas, nomeadamente a acção de ciclos gelo/degelo e do fogo.
a) acção gelo/desgelo; b) acção do fogo
Figura 3.1 – Exemplos dos efeitos da exposição a temperaturas extremas no betão (Costa, 2011)
a) b)
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
41
3.2.2. Influência das acções ambientais sobre o FRP
O conhecimento existente da degradação dos sistemas de FRP (fibras e resinas) assenta
essencialmente em trabalhos experimentais, uma vez que a implementação destes sistemas ainda
é relativamente recente. De seguida referem-se, sucintamente, a influência dos principais
agentes de degradação ambiental das fibras e resinas, definidos pelo ACI 440R-96 (1996):
• a humidade e a água;
• a radiação ultravioleta (UV);
• os ambientes alcalinos ou ácidos;
• a temperatura e os ciclos gelo/desgelo.
Humidade e água
A humidade consegue penetrar nos materiais constituintes do FRP por difusão controlada ou por
absorção controlada, aumentando em ambos os casos, até o atingir o ponto de saturação,
correspondente ao equilíbrio de concentrações.
Guedes et al (2000) separa os efeitos da humidade num compósito polimérico em efeitos físicos
(efeito plastificante e aumento de volume) e efeitos químicos (hidrólise e lixiviação). O efeito
plastificante da humidade relaciona-se com o facto de tornar o material mais mole, mais flexível
e/ou mais moldável. Por sua vez, a hidrólise é um processo químico que provoca a divisão de
uma molécula devido à adição de água e a lixiviação consiste em retirar uma substância de um
sólido através da sua dissolução num líquido (Marreiros, 2005).
Relativamente à absorção de água sabe-se que promove o aumento de volume na interface
betão-FRP. Em condições normais de serviço, junta-se à absorção de água os efeitos da
temperatura, pelo que o efeito combinado de ciclos molhagem/secagem e ciclos térmicos na
ligação betão-FRP deve ser cuidadosamente avaliado. O aumento do volume de resina, a
pressão osmótica e os ataques químicos na superfície das fibras provocam tensões de
deslocamento na interface entre a fibra e a resina (Karbhari e Engineer, 1996).
Radiação UV
Os sistemas compósitos sujeitos à radiação UV sofrem degradação, resultando no aparecimento
de micro fendas que propiciam à concentração de tensões. A fendilhação do material permite a
facilidade na actuação de outros agentes, como a humidade e a actuação de ciclos gelo/desgelo
(Karbhari et al, 2003).
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
42
Ambientes alcalinos ou ácidos
Os compósitos de FRP podem estar em contacto com meios alcalinos, nomeadamente por
substâncias químicas alcalinas, solo ou soluções dissolvidas no solo e betão. As fibras de vidro
são as mais susceptíveis à degradação por estes ambientes, tendo-se verificado que apesar da
presença de resinas nos compósitos de FRP, que à partida iriam proteger do ataque, as soluções
alcalinas podem acelerar a degradação resultando na descolagem do sistema e deterioração da
própria resina (Karbhari et al, 2003).
Temperatura e ciclos gelo/degelo
A influência da temperatura enquanto agente de degradação ambiental é muito importante
quando se analisa o comportamento dos compósitos de FRP. Para valores de temperatura
superiores à temperatura de transição vítrea, o comportamento dos FRP é danificado
drasticamente, uma vez que as cadeias da resina movem-se e tornam-se mais flexíveis.
Perante valores elevados de temperatura, próximos ou superiores à temperatura de transição
vítrea, pode-se ter reduções significativas nas propriedades dos compósitos de FRP. A
temperatura de transição vítrea é única para cada sistema e pode variar entre os 60ºC e os 82ºC
para os sistemas comerciais disponíveis (Lucas, 2010).
As fibras suportam temperaturas mais elevadas que as resinas, mas as resinas são o elemento
que garante o funcionamento do sistema em conjunto, quer na ligação do compósito ao betão,
quer na distribuição de tensões entre fibras, pelo que o mau funcionamento da resina implica um
sistema de reforço com má qualidade.
Para valores baixos de temperatura, as resinas tornam-se menos flexíveis, mantendo os valores
de rigidez e de resistência dos compósitos inalterados. A resistência mecânica das resinas
diminui com a combinação de temperaturas elevadas e humidades relativas elevadas. Quando se
combinam baixas temperaturas com humidades relativas elevadas, durante a polimerização da
resina, produz-se um efeito negativo na tensão de aderência última entre o betão e o FRP (fib
bulletin 14, 2001; Marreiros, 2005).
Em termos de envelhecimento, sabe-se que a temperatura acelera as reacções químicas, ou seja
quando ocorre a degradação da ligação betão-FRP, essa degradação é mais rápida quanto mais
alto for o valor de temperatura, no entanto, as consequências são mais gravosas quando se trata
de ciclos gelo/degelo (Marreiros, 2005).
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
43
3.2.3. Recomendações do ACI 440 (2002)
O ACI 440 (2002) refere que as propriedades dos materiais fornecidas pelos fabricantes não
devem ser utilizadas sem ter em conta a exposição ambiental a que o compósito vai estar sujeito
e propõe o coeficiente CE cujos valores são apresentados na tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Factores de redução para diferentes sistemas FRP e condições de exposição
(adaptado de ACI 440, 2002)
Condições de exposição CCCCEEEE
CFRP GFRP AFRP
Exposição interior 0,95 0,75 0,85
Exposição exterior (ponte, cais e garagens não fechadas) 0,85 0,65 0,75
Ambientes agressivos (zonas químicas, tratamentos de água, etc) 0,85 0,50 0,70
O factor de redução CE deve ser aplicado no valor de tensão última de dimensionamento de
sistemas de FRP (f$F) e a extensão última de dimensionamento (ε$F), pelas seguintes equações,
respectivamente:
f$F = CE. f$F∗
ε$F = CE. ε$F∗
onde f$F∗ é o valor característico da tensão última e ε$F∗ é o valor característico da extensão
última.
3.3. Apresentação de alguns trabalhos de investigação
Esta fase da pesquisa bibliográfica incidiu sobre os trabalhos de investigação identificados na
tabela 3.2, relacionados com o estudo do comportamento de vigas reforçadas com FRP quando
sujeitas a diferentes condições de exposição ambiental.
(3.1)
(3.2)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
44
Dá-se ênfase a estudos onde o agente de degradação é a temperatura, visto ser o ambiente
utilizado no programa experimental da presente dissertação.
Tabela 3.2 – Trabalhos de investigação sobre o comportamento de vigas de betão armado
reforçadas com FRP sujeitas a diferentes condições de exposição ambiental
Unidade de investigação Autor(es) Título do trabalho
University of Missouri, USA
University of Leece, Italy Myers et al (2001) Effect of combined environmental cycles on
the bond of FRP sheets to concrete
Universidade do Minho,
Guimarães, Portugal
Vaz et al (2005)
Influência da temperatura no comportamento
de elementos de betão armado reforçados à
flexão com laminados de CFRP
Instituto Superior Técnico,
Lisboa, Portugal
Marreiros (2005) Degradação da aderência entre CFRP e betão
armado devida a envelhecimento acelerado
Biscaia (2006)
Rotura por perda de aderência entre reforços
poliméricos com fibras de vidro e elementos
estruturais de betão
FCT/UNL, Lisboa, Portugal Lucas (2010) Degradação da resistência mecânica de vigas
reforçadas com GFRP
University of Edinburgh, UK
Bisby et al (2010)
Comparative performance of fiber reinforced
polymer and fiber reinforced cementitious
mortar strengthening systems in elevated
temperature service environments
Myers et al (2001) investigaram a durabilidade da colagem entre o betão e vários tipos de FRP
(CFRP, GFRP e AFRP) em vigas reforçadas à flexão através de um programa de
envelhecimento com acções combinadas de ciclos de gelo/degelo, de elevada humidade, de
elevadas temperaturas e de exposição indirecta a radiação UV sob carga sustentada.
O regime combinado de degradação foi realizado pela seguinte ordem: 50 ciclos gelo/degelo,
seguidos de 20 ciclos de humidade relativa à temperatura 15,5ºC, 40 ciclos de temperatura, 20
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
45
ciclos de humidade relativa à temperatura de 26,7ºC, 40 ciclos de temperatura, 20 ciclos de
humidade relativa à temperatura de 15,5ºC e termina com 40 ciclos de temperatura.
Os provetes (um de cada tipo) foram testados num sistema de 4 pontos, de acordo com o
esquema da figura 3.2. Em todos os provetes ocorreu a descolagem antes da rotura da viga, uma
vez que no decorrer dos testes se ouviu um som agudo nas fibras.
Figura 3.2 – Representação esquemática do modelo ensaiado no estudo de Myers et al (2001) (dimensões em mm)
Do estudo conclui-se que a exposição ambiental combinada tem consequências negativas no
comportamento da ligação betão-FRP. As vigas reforçadas à flexão com FRP sujeitas ao regime
de degradação apresentam uma redução na rigidez de flexão. Também se conclui que os
provetes condicionados em cargas superiores (40% de carga última) apresentam maior
degradação na descolagem do que os provetes sem carga.
Vaz et al (2005) efectuaram uma campanha experimental com o objectivo de avaliar a
influência da temperatura no comportamento do sistema de reforço em vigas de betão armado.
Para tal, realizaram provetes de dimensões 650x150x100mm3 com dois tipos de betão e 28 dias
depois colaram os laminados de CFRP. As características dos materiais utilizados são
apresentadas na tabela 3.3.
Os provetes foram colocados em câmaras climáticas sujeitando-os a diferentes temperaturas,
nomeadamente 20ºC, 40ºC, 60ºC e 80ºC (sendo que os provetes foram identificados como T20,
T40, T60 e T80, respectivamente). As temperaturas foram aplicadas 50 vezes com a duração de
12 horas. Posteriormente foram testados à flexão num sistema com três pontos de carga,
representado na figura 3.3.
102
Confinamento em U de FRP
533
Pré-fendas FRP
152
152
FRP (largura = 38 mm)
Aço Ø2
38
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
46
Tabela 3.3 – Caracterização dos materiais utilizados no estudo de Vaz et al (2005)
Materiais Características
Betão Betão corrente fc = 30,0 MPa
Betão de alto desempenho fc = 90,0 MPa
Armadura
Inferior 3 varões A400NR: Ø6 mm
Superior 3 varões A400NR: Ø6 mm
Esforço transverso 2 varões A500: Ø3 // 50 mm
Sistema de reforço Resina epoxídica (Tg = 63ºC) + CFRP
Figura 3.3 – Esquema de ensaio utilizado por Vaz et al (2005) (dimensões em mm)
Os resultados obtidos permitiram verificar que o aumento da agressividade térmica provocou
uma diminuição da eficiência do reforço, uma vez que quando se aproximou e ultrapassou da
temperatura de transição vítrea da resina (exposições T60 e T80) começaram a verificar-se
descolagens coesivas no reforço.
Do estudo concluiu-se, ainda, que uma simples exposição solar é capaz de afectar a eficácia do
sistema de reforço, pelo que se aconselha a colocação de sistemas isolantes térmicos e a
supervisão adequada durante os trabalhos de reforço.
Marreiros (2005) estudou os efeitos de envelhecimento acelerado na aderência betão-compósito
em provetes compostos por duas vigas de betão armado de dimensões 620x100x150mm3 ligadas
por uma rótula metálica na zona superior e reforçadas à flexão com CFRP. Os provetes foram
ensaiados num sistema de flexão de 4 pontos (figura 3.4). O programa de envelhecimento
acelerado incluiu os ambientes de degradação apresentados na tabela 3.4.
550 55 55
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
47
Figura 3.4 – Esquema de ensaio utilizado no estudo de Marreiros (2005) (dimensões em mm)
Tabela 3.4 – Ambientes de degradação utilizados no trabalho experimental de Marreiros (2005)
Ambientes de degradação Características da exposição diária
Humidade relativa (HR) + Temperatura (T) 12 horas 20% HR, T = 40ºC
12 horas 90% HR, T = 40ºC
Nevoeiro salino (NS) + Temperatura (T) 8 horas 5% NaCl, sem T
16 horas sem NS, T = 35ºC
Comparando os modelos de referência (0 horas) com os provetes envelhecidos (3000, 6000 e
10000 horas), existiram perdas nas cargas últimas para os dois tipos de envelhecimento que
atingem os 20%. O modo de rotura variou consoante o tipo de exposição aplicada nos modelos.
No caso das superfícies de rotura dos modelos sujeitos a ciclos de humidade, à semelhança dos
modelos de referência, a rotura ocorreu na ligação entre o betão e o CFRP, devido à rotura do
betão. No caso dos modelos sujeitos a ciclos de nevoeiro salino, a superfície de rotura ocorreu
na ligação entre o betão e o CFRP, mas de forma adesiva na interface entre o betão e o adesivo.
Para cargas baixas, as tensões axiais concentraram-se essencialmente junto ao meio vão,
aumentando progressivamente ao longo do restante comprimento do compósito à medida que a
carga aumentava. Para as tensões de aderência, verificou-se uma distribuição que variou com o
tipo de envelhecimento. Para os provetes sujeitos aos ciclos de humidade, comparando com os
modelos de referência, observou-se uma maior concentração de tensões de aderência para
cargas elevadas, o que significa que se mobilizou um menor comprimento de colagem. Os
modelos sujeitos aos ciclos de nevoeiro salino apresentam uma menor mobilização de
comprimento de colagem, muito provavelmente devido à referida alteração nas superfícies de
rotura.
235
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
48
Biscaia (2006) apresenta um estudo onde se pretendeu estudar os efeitos de envelhecimento
acelerado em provetes reforçados com GFRP com a geometria dos provetes semelhante aos
utilizados por Marreiros (2005) e com o mesmo esquema de ensaio. O programa de
envelhecimento acelerado incluiu os ambientes de degradação apresentados na tabela 3.5.
Tabela 3.5 – Ambientes de degradação considerados no trabalho experimental de Biscaia (2005)
Ambiente de degradação Características da exposição
HR + T 12 horas 60% HR, T = -10ºC
12 horas 60% HR, T = 10ºC
NS + T 8 horas 5% NaCl, sem T
16 horas sem NS, T = 35ºC
Solução salina (marés) + T 3 dias salinidade de 5% + 4 dias T ambiente
Imersão total em solução Contínua, 5% NaCl
Os provetes foram ensaiados à flexão num sistema de 4 pontos às 0, 1000, 5000 e 10000 horas.
Os ciclos de temperatura foram os mais severos verificando-se um decréscimo da capacidade
resistente de 25% para as 5000 horas e 31% para as 10000 horas.
Relativamente aos ciclos de nevoeiro salino, a capacidade resistente aumentou às 5000 horas
(3,9%) e diminuiu às 10000 horas (2,5%). O processo de imersão total permitiu melhorar a
capacidade de carga que atingiu uma melhoria de 20,8% às 10000 horas, face aos provetes de
referência (0 horas).
A rotura dos provetes ocorreu por rotura da ligação betão-GFRP (figura 3.5). O arrancamento
do betão por destacamento ocorreu de forma regular, deixando visíveis as armaduras utilizadas.
À semelhança dos compósitos de CFRP estudados por Marreiros (2005), as tensões axiais no
GFRP aumentaram com o incremento da carga vertical sem aumento significativo junto às
extremidades de colagem. A evolução das tensões de aderência apresentou valores positivos ou
negativos consoante o desenvolvimento positivo ou negativo das tensões axiais no compósito de
GFRP.
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
49
Figura 3.5 – Modos de rotura obtidos no estudo de Biscaia (2006)
Lucas (2010) estudou os efeitos do envelhecimento acelerado em vigas reforçadas com GFRP
realizando, após um período de envelhecimento de 5000 horas, ensaios à flexão num sistema de
3 pontos (vigas: 620x150x100mm3; GFRP: 520x80mm2).
Nos ensaios à flexão verificou que a capacidade resistente aumentou em cerca de 7,1% às 3000
horas e decresceu em 13,2% às 5000 horas face aos modelos de referência. O autor refere que o
aumento da capacidade resistente às 3000 horas poderá estar associado à cura do adesivo. Em
todos os ensaios a rotura foi do tipo adesiva e, analisando as tensões de aderência atingidas,
Lucas (2010) verificou que se situaram no intervalo 2-4MPa, com distribuição pouco uniforme
e picos de tensão. Estes influenciaram a ocorrência de fenómenos de descolamento prematuro.
No mesmo trabalho, Lucas (2010) efectuou estudos de envelhecimento em provetes de GFRP,
do mesmo material aplicado nas vigas. Foram realizados ensaios à tracção e ensaios de difusão
nos provetes apresentados na figura 3.6, sujeitos ao envelhecimento indicado na tabela 3.6.
a) provetes planos de GFRP; b) provetes planos de GFRP e provetes quadrados de GFRP
Figura 3.6 – Modelos ensaiados à tracção e à difusão no estudo de Lucas (2010)
a) b)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
50
Tabela 3.6 – Ambientes de degradação considerados no trabalho experimental de Lucas (2010)
Ambientes de degradação Características da exposição diária
T 12 horas T = -10ºC
12 horas T = 30ºC
NS + T 16 horas 50g/l NaCl, T = 35 ºC
8 horas sem NS, T = 35ºC
Imersão total em 3 tipos de solução
24 horas Água dionizada
24 horas 50g/l NaCl
24 horas 100g/l NaCl
Relativamente aos provetes de GFRP nos ensaios de tracção, os modelos sujeitos aos ciclos de
nevoeiro salino são os que apresentam maior susceptibilidade ao envelhecimento. Apresentam
reduções significativas para a extensão e tensão últimas, registando-se um decréscimo às 3000
horas para a extensão de 17,5% e para a tensão de rotura de 14,9%. No caso dos provetes
sujeitos aos ciclos de temperatura verificou-se um ganho generalizado, em termos de
características mecânicas, tanto para as 3000 horas como para as 5000 horas.
No âmbito dos ensaios de ganhos de massa, os provetes quadrados colocados em imersão
apresentaram ganhos de massa, que se verificaram com maior preponderância nos provetes
sujeitos à água dionizada do que nos provetes sujeitos à solução de NaCl de concentração igual
a 100g/l. Os provetes em nevoeiro salino apresentam às 2000 horas ganhos de massa de 0,8%
sem nunca atingir um patamar de absorção como se verifica nos provetes sujeitos à imersão
total (patamar obtido às 5000 horas com 0,8% de ganho de massa em relação ao peso inicial).
Os provetes sujeitos aos ciclos de temperatura relevaram um decréscimo de massa de 0,1%
originado pela polimerização da resina.
Bisby et al (2010) focaram-se nos efeitos de temperaturas elevadas nos sistemas reforçados com
FRP e FRCM4, comparando os dois sistemas entre si. Na figura 3.7 apresenta-se um desenho
esquemático das vigas reforçadas à flexão com FRP ou FRCM.
4Fiber reinforced cimentitious matrix (FRCM) – Apresentam uma matriz cimentícia, em vez da utilização de agentes epoxídicos (utilizados nos FRP). Existem diversas variações, entre as quais: Textile Reinforced Concrete, Textile
Reinforced Mortar e Mineral Based Composites (Carvalho, 2011).
Capítulo 3 – Degradação ambiental do betão e dos sistemas de FRP
51
Figura 3.7 – Representação esquemática do modelo testado no estudo de Bisby et al (2010)
(dimensões em mm)
O programa experimental envolveu três séries de provetes, sujeitos aos seguintes valores de
temperatura: 20ºC, 50ºC e 80ºC. Os provetes foram expostos a estes valores de temperatura
durante 6 horas. Cada série é constituída por três provetes do tipo: sem reforço, reforçados com
FRP e reforçados com FRCM.
Após a aplicação do envelhecimento, as vigas foram ensaiadas à flexão num sistema de três
pontos, de onde se concluiu que a resistência das vigas diminui com o aumento de temperatura,
sendo bastante visível para valores de temperatura iguais a 80ºC. Para além disso, verificou-se a
superioridade, em termos de comportamento, das vigas reforçadas com FRCM (figura 3.8).
Figura 3.8 – Reduções na capacidade de carga com o aumento da temperatura de exposição
obtidas no estudo de Bisby et al (2010).
Temperatura (ºC)
Car
ga d
e ro
tura
(K
N)
FRCM FRP n.º 1 FRP n.º 2 Sem reforço
200 30
400 100 100 36
18 negativo zona de rotura
sistema de reforço
sistema de reforço ao corte (confinamento)
10 20 30 40 50 60 70 80 90
30
25
20
15
10
5
0
600
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
52
Capítulo 3 – Degradação ambiental
53
E BEHAVIOR OF BEAMS REINFORCED WITH CFRP
Capítulo 4
ESTUDO EXPERIMENTAL
4.1. Considerações gerais
No sentido de avaliar a degradação de materiais utilizados em processos de reforço perante a
exposição à temperatura, desenvolveu-se um estudo experimental que incidiu em modelos de
viga de betão simples reforçadas à flexão com compósitos de CFRP e em provetes planos de
CFRP.
No presente capítulo apresenta-se o programa de ensaios, caracterizam-se os materiais utilizados
e descreve-se o programa de envelhecimento utilizado.
4.2. Programa de ensaios
O estudo experimental desenvolvido compreendeu os pontos-chave apresentados na figura 4.1.
Todos os ensaios foram realizados nos laboratórios do DEC-FCT/UNL, tendo em conta as
recomendações propostas pelos respectivos documentos normativos.
Figura 4.1 – Esquema cronológico do programa de ensaios
Execução das vigas;
Ensaios de compressão no betão
Preparação da superfície das vigas e aplicação do reforço à flexão;
Execução dos provetes planos de CFRP
NOV DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR
2011 2012
Ensaios de flexão em modelos de vigas reforçadas sem envelhecimento;
Ensaios de tracção em provetes planos de CFRP
Colocação de modelos de vigas reforçadas e provetes planos de CFRP na câmara climática
Ensaios de flexão em modelos de vigas com 2250 horas de envelhecimento
Ensaios de tracção em provetes planos
com 3500 horas de envelhecimento
Ensaios de flexão em modelos de vigas com 4000 horas de envelhecimento
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
54
4.3. Caracterização dos materiais
Nas secções seguintes procede-se à descrição das propriedades mecânicas do betão dos modelos
de viga e dos materiais compósitos e agentes adesivos utilizados nos sistemas de reforço.
4.3.1. Betão
O betão utilizado nas vigas foi produzido pela empresa Betão Liz, SA em Novembro de 2010,
tendo a betonagem sido realizada, de acordo com a norma NP EN 206-1 (2007). O betão foi
moldado à temperatura ambiente de 11,7ºC e a temperatura da massa na altura da betonagem era
de 19,7ºC. Na tabela 4.1 apresenta-se a composição do betão.
Tabela 4.1 – Composição do betão das vigas ensaiadas
Componente Teor (kg/m3)
Cimento Portland CEM II A/L 42,5 R 200
Areia tipo 1 (fina) 280
Areia tipo 2 (grossa) 520
Brita tipo 1 510
Brita tipo 2 560
Adjuvantes: Pozolítica 540 3
Adições: Cinzas Volantes 100
Água 175
A consistência do betão foi determinada pelo ensaio de abaixamento, obtendo-se um valor de
abaixamento de 130mm. Segundo a norma NP EN 206-1 (2007), a classe de abaixamento do
betão é S3. Trata-se, portanto, de um betão com consistência média.
Foram executados e ensaiados provetes cúbicos de betão com 150mm de aresta em
conformidade com a norma NP EN 12390 (2003). Para a caracterização mecânica do betão
foram ensaiados à compressão 2 provetes cúbicos após 28 dias da betonagem das vigas. Foram
igualmente ensaiados provetes com 1, 2 e 8 dias de idade que servem apenas para referência.
Capítulo 4 – Estudo experimental
55
Todos os ensaios em causa foram realizados de acordo com o procedimento descrito na
especificação do LNEC E-226 (1969). O equipamento utilizado foi a máquina de compressão
uniaxial pertencente ao Laboratório de Estruturas do DEC-FCT/UNL, com capacidade de carga
até 3000kN, que pode ser observada na figura 4.2.
Figura 4.2 – Máquina de compressão uniaxial utilizada nos ensaios à compressão do betão
Na tabela 4.2 apresentam-se os valores de tensão de rotura à compressão (f,F_Q) aos provetes
cúbicos ensaiados aos 28 dias e a respectiva extrapolação para provetes cilindricos (fcm),
segundo o EC2 (2004). Por questões logísticas não foi efectuado mais uma série de ensaios que
permitiria obter uma análise evolutiva das características do betão em causa.
Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios à compressão dos provetes cúbicos
Provete Idade (dias) wx(MPa) wxy,xz|(MPa) wxy(MPa)
1 1 5,93 -- --
2 2 13,79 -- --
3 8
27,08 -- --
4 27,25 -- --
5 28
34,63 34,75 27,80
6 35,08
Os valores de f,F_Q e fcm foram determinados de acordo com as seguintes expressões,
respectivamente:
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
56
f,F_Q = fn
fcm= 0,8 fcm,cube
em que f é o valor de tensão de rotura à compressão de cada provete e n é o número de ensaios
realizados.
Na tabela 4.3 sintetiza-se a caracterização do betão aos 28 dias, apresentando os parâmetros
calculados pelas seguintes expressões:
fcm ≥ fck,cyl + 8
fctm= 0,3 (fck,cyl)2/3
fctm,sp = fctm
0,9
Ecm = 22 (fcm
10)0,3
em que fck,cyl é o valor característico da tensão de rotura do betão à compressão aos 28 dias de
idade, fctm é o valor médio da tensão de rotura do betão à tracção simples, fctm,sp é o valor de
tensão de rotura à tracção por compressão diametral e Ecm é o módulo de elasticidade secante do
betão.
Tabela 4.3 – Propriedades mecânicas do betão aos 28 dias de idade segundo o EC2 (2004)
Parâmetros wxy,xz| (MPa)
wxy (MPa)
wx~,x (MPa)
wxy (MPa)
wxy,
(MPa)
xy (GPa)
Valores obtidos 34,75 27,80 19,80 2,20 2,44 29,90
Note-se que esta caracterização é influenciada pelo reduzido número de provetes ensaiados aos
28 dias.
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.1)
(4.2)
Capítulo 4 – Estudo experimental
57
4.3.2. Compósitos de CFRP
Os compósitos de CFRP utilizados são constituídos por fibras orientadas na direcção
longitudinal comercializadas em formato de tecido (figura 4.3-a), com a designação comercial
de S&P C-Sheet 240 (300g/m2), e por resina epoxídica S&P Resin 55 (figura 4.3-b). Ambos os
componentes são produzidos e comercializados pela empresa S&P Clever Reinforcement
Ibérica.
a) S&P C-Sheet 240 (300g/m2); b) S&P Resin 55
Figura 4.3 – Componentes dos compósitos de CFRP utilizados
Na tabela 4.4 estão presentes os valores das propriedades mecânicas das fibras de carbono,
indicados pela empresa:
Tabela 4.4 – Propriedades mecânicas de S&P C-Sheet 240 (300 g/m2) (S&P C-Sheet 240: ficha
técnica)
Parâmetros w
(mm)
wz
(%)
w (MPa)
w (GPa)
Valores 0,176 1,55 3800 240
em que h$ é a espessura das fibras, ε$F é a extensão de rotura, σ$ é a resistência à tracção e E$ é o
módulo de elasticidade das fibras.
Relativamente à matriz polimérica, utilizou-se uma resina epoxídica que resulta da mistura dos
seus dois componentes, A e B, num rácio 2:1 (em massa). A temperatura ambiente no momento
da mistura de componentes deve-se situar entre 15ºC e 20ºC, garantindo um tempo de aplicação
aos 20ºC de 45 minutos (S&P Resin 55: ficha comercial).
a) b)
0,60m
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
58
Na tabela 4.5 apresentam-se as características mecânicas para a temperatura ambiente de 20ºC e
humidade relativa de 50% fornecidas na ficha técnica da resina:
Tabela 4.5 – Características mecânicas da resina epoxídica S&P Resin 55 (S&P Resin 55: ficha
comercial)
Parâmetros
(kg/mm3) z
(%)
xz
(MPa)
(ºC)
Valores 1110 8 – 10 35 52
onde ρ é a densidade da resina, εF é a extensão de rotura da resina, σF é a tensão de rotura da
resina e T é a temperatura de transição vítrea.
A caracterização mecânica dos compósitos de CFRP foi realizada por corpos de prova (provetes
planos) apresentados na figura 4.4:
a)
b)
a) vista geral dos provetes planos; b) representação esquemática dos provetes planos
Figura 4.4 – Provetes planos de CFRP (sem escala)
em que b é a largura do provete plano, L& é o comprimento de referência do provete plano e t
é a espessura do provete plano.
t
b
L&
Capítulo 4 – Estudo experimental
59
(4.7)
(4.8)
(4.9)
Os provetes planos foram realizados e testados à tracção segundo as especificações da ASTM
D3039/D3039M (1995) nos Laboratórios de Estruturas e de Resistência de Materiais do
DEC/FCT-UNL.
Os ensaios à tracção promoveram a avaliação da tensão de rotura à tracção (σ$F) do módulo de
elasticidade (E$) e da extensão na rotura à tracção (ε$F) pelas seguintes equações,
respectivamente:
σ$F = F$Fb. t
E$ = ∆σ∆ε
ε$F = ∆LL&
em que F$F é a força de rotura em tracção, ∆σ é variação da tensão, ∆ε é variação da extensão e ∆L é variação do comprimento de referência do provete até à rotura.
Para a caracterização mecânica dos compósitos de CFRP foram fabricados 10 provetes planos,
sendo 5 com uma camada de tecido e os restantes com duas camadas de tecido. No segundo
caso, os tecidos foram sobrepostos e interligados por uma camada de resina epoxídica,
mantendo as fibras na direcção longitudinal. Foram também fabricados provetes planos
adicionais para utilizar no programa de envelhecimento acelerado.
O processo de fabrico dos provetes planos implicou as seguintes fases (figura 4.5):
•••• corte do tecido em elementos de dimensões 60x250mm2;
•••• aplicação de resina S&P Resin 55 nos elementos;
•••• processo de secagem;
•••• corte dos provetes planos e tabs (elementos rectangulares);
•••• colagem dos tabs nas extremidades dos provetes e isolamento externo destes com a
resina Epoxy AMS222;
•••• processo de secagem.
Estudo do comportamento de vigas
sujeitas a envelhecimento
60
a) vista geral dos cortes
b) aplicação da resina no tecido
c) equipamento utilizado para o corte dos
Figura 4.
Os provetes planos obtidos foram reforçados nas extremidades por
maior espessura. A sua função
durante o decorrer do ensaio de tracção.
A resina aplicada na colagem dos
dois componentes, A e B, sendo A a resi
aplicação desta resina foi prolongada ao comprimento longitudinal dos provetes de forma a
garantir o isolamento no mesmo, garantindo protecção nas zonas de corte do laminado, mais
susceptíveis aos fenómenos de envelhecimento (f
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
a) vista geral dos cortes do tecido de CFRP antes da aplicação da resina
plicação da resina no tecido de CFRP com auxílio de trinchas
quipamento utilizado para o corte dos provetes planos e tabs
d) aspecto final de um provete plano
Figura 4.5 – Processo de fabrico dos provetes planos
obtidos foram reforçados nas extremidades por tabs que
sua função é impedir a rotura junto das maxilas da máquina de tracção
durante o decorrer do ensaio de tracção.
A resina aplicada na colagem dos tabs, de nome comercial Epoxy AMS 222, é constituída por
dois componentes, A e B, sendo A a resina e B um endurecedor, misturados na proporção 1:1. A
aplicação desta resina foi prolongada ao comprimento longitudinal dos provetes de forma a
garantir o isolamento no mesmo, garantindo protecção nas zonas de corte do laminado, mais
enos de envelhecimento (figura 4.6).
a)
c)
tabs
RP antes da aplicação da resina
que garantem uma
impedir a rotura junto das maxilas da máquina de tracção
, é constituída por
na e B um endurecedor, misturados na proporção 1:1. A
aplicação desta resina foi prolongada ao comprimento longitudinal dos provetes de forma a
garantir o isolamento no mesmo, garantindo protecção nas zonas de corte do laminado, mais
b)
d)
tabs
Capítulo 4 – Estudo experimental
61
Figura 4.6 – Resina aplicada na colagem dos tabs e no isolamento dos provetes planos
Os provetes planos utilizados na caracterização mecânica dos compósitos de CFRP consideram-
se como provetes planos de referência. Na tabela 4.6 apresenta-se a identificação utilizada para
os provetes de referência e as suas dimensões relevantes, sendo estas acompanhadas pelo valor
médio e desvio padrão.
Tabela 4.6 – Identificação e dimensões relevantes dos provetes planos de referência 5
Identificação Número de
camadas
(mm)
,yé
(mm)
(mm)
,yé
(mm)
P-REF-1C-1
1
1,20
1,27 ± 0,25
23,50
23,80 ± 0,08
P-REF-1C-2 1,38 24,00
P-REF-1C-3 1,26 24,00
P-REF-1C-4 0,92 23,50
P-REF-1C-5 1,60 24,00
P-REF-2C-1
2
1,29
1,75 ± 0,26
24,50
24,00 ± 0,13
P-REF-2C-2 1,86 24,00
P-REF-2C-3 1,83 24,00
P-REF-2C-4 1,86 23,50
P-REF-2C-5 1,92 24,00
Os ensaios à tracção foram realizados às 0 horas com recurso à máquina de tracção universal de
marca Zwick, modelo Z050, com uma capacidade de carga de 50kN (figura 4.7-a).
5 A espessura de cálculo considerada para o cálculo do módulo de elasticidade e da tensão no compósito foi de 0,176mm por camada.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
62
Os provetes foram fixados ao mecanismo por um sistema de garras de aperto manual, não
existindo um controlo total sobre os deslocamentos dos provetes no decorrer do ensaio (figura
4.7-b).
a) máquina de tracção universal e a aquisição de dados; b) maxila de aperto
Figura 4.7 – Equipamento utilizado nos ensaios de tracção dos provetes planos
A figura 4.8 mostra os diagramas tensão-extensão dos 5 provetes planos com uma camada de
CFRP testados à tracção.
Figura 4.8 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos de referência com uma camada de CFRP
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2
Ten
são
(MP
a)
Extensão (%)
P-REF-1C-1
P-REF-1C-2
P-REF-1C-3
P-REF-1C-4
P-REF-1C-5
a) b)
a)
Capítulo 4 – Estudo experimental
63
Tendo em conta aos acontecimentos no decorrer dos ensaios e analisando os diagramas
apresentados na figura anterior, tem-se que:
• todos os provetes planos, à excepção do provete P-REF-1C-2, apresentam um
comportamento linear até à rotura;
• nos provetes P-REF-1C-2 e P-REF-1C-5 assistiu-se ao escorregamento gradual nas
garras, traduzido pelo comportamento não-linear perto da rotura e rigidez inferior
relativamente aos restantes provetes no caso do provete P-REF-1C-2 e pela necessidade
de paragem do ensaio e novo aperto de garras no caso do provete P-REF-1C-5 (o
gráfico apresentado corresponde aos valores obtidos após o novo aperto de garras).
O escorregamento gradual entre garras, que não deveria existir, poderá ter como causa as
condições de fabrico e de cura dos provetes, assim como o deficiente aperto das garras.
Na figura 4.9 apresentam-se todos os provetes planos de referência com uma camada de CFRP
após o ensaio de tracção, onde é possível verificar que as secções de rotura variam de provete
para provete, não existindo um comportamento padrão. Apesar de não ser visível na imagem
apresentada, nos dois primeiros provetes existe rotura na secção central.
Figura 4.9 – Roturas obtidas nos provetes planos de referência com uma camada de CFRP
Na tabela 4.7 apresentam-se os valores de carga de rotura (F$F), tensão de rotura (σ$F), extensão
de rotura (ε$F) e o valor do módulo de elasticidade em tracção (E$) e respectivos valores de
desvio padrão. No cálculo dos valores médios das referidas grandezas desprezou-se os
resultados obtidos nos provetes planos P-REF-1C-2 e P-REF-1C-5, uma vez que existiu
escorregamento nas garras.
P-REF-1C-1
P-REF-1C-2
P-REF-1C-3
P-REF-1C-4
P-REF-1C-5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
64
Tabela 4.7 – Resultados dos provetes planos de referência com uma camada de CFRP
Provete wz (kN) wz(MPa) wz (%) w (GPa)
P-REF-1C-1 8,27 1998,55 1,24 161,17
P-REF-1C-2 6,60 1561,92 -- --
P-REF-1C-3 9,35 2214,15 1,26 175,73
P-REF-1C-4 8,17 1975,29 1,41 140,09
P-REF-1C-5 8,29 1961,55 -- --
Média ± Desvio Padrão 8,60 ± 0,66 2062,66 ± 131,71 1,30 ± 0,09 159,00 ± 17,92
Em termos estatisticos, verificou-se um desvio padrão elevado no caso da tensão de rotura e do
módulo de elasticidade, fruto da discrepância elevada entre valores obtidos para os provetes
planos ensaiados.
Relativamente aos provetes planos com duas camadas de CFRP, podem-se observar os seus
diagramas tensão-extensão na figura 4.10.
Figura 4.10 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos de referência com duas camadas de CFRP
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2
Ten
são
(MP
a)
Extensão (%)
P-REF-2C-1
P-REF-2C-2
P-REF-2C-3
P-REF-2C-4
P-REF-2C-5
Capítulo 4 – Estudo experimental
65
Pela análise da figura anterior tem-se que:
• os provetes P-REF-2C-1, P-REF-2C-2 e P-REF-2C-3 apresentam um comportamento
linear, sendo a rigidez no primeiro provete consideravelmente inferior à de todos os
provetes com duas camadas ensaiados às 0 horas;
• a rotura ocorreu de forma frágil em todos os provetes, à excepção do P-REF-2C-3 que
não chegou a romper devido ao escorregamento das garras, razão pela qual os valores
de tensão e extensão são muito inferiores aos dos restantes provetes.
Em todos os provetes ensaiados, à semelhança dos provetes planos com uma camada de CFRP,
os resultados foram influenciados pelas condições de fabrico dos provetes, assim como o
deficiente aperto das garras, que tem como consequência o escorregamento gradual dos provetes
ao longo do ensaio. O escorregamento das garras deve-se, em parte, ao sistema de aperto, mas
também poderá ter como causa a má polimerização da resina aplicada na colagem dos tabs.
Na figura 4.11 apresentam-se os provetes planos com uma camada de CFRP após o ensaio de
tracção, sendo existindo um comportamento padrão. No provete P-REF-2C-3 é visível o
deslocamento do tab esquerdo onde a resina se apresentava pastosa, ao invês de totalmente seca.
Figura 4.11 – Roturas obtidas nos provetes planos de referência com duas camadas de CFRP
Na tabela 4.8 apresentam-se os resultados obtidos e respectivos valores de médios e de desvio
padrão, sendo que não se considerou como válidos os provetes planos: P-REF-2C-1 (pela
rigidez muito inferior à dos restantes provetes), P-REF-2C-3 (uma vez que se verificou
escorregamento de garras) e P-REF-2C-4 (devido à rotura junto à garra).
P-REF-2C-1
P-REF-2C-2
P-REF-2C-3
P-REF-2C-4
P-REF-2C-5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
66
Tabela 4.8 – Resultados dos provetes planos de referência com duas camadas de CFRP
Provete wz (kN) wz(MPa) wz (%) w (GPa)
P-REF-2C-1 12,33 1429,27 -- --
P-REF-2C-2 21,46 2540,67 1,79 141,94
P-REF-2C-3 12,12 1434,12 -- --
P-REF-2C-4 17,44 2108,51 -- --
P-REF-2C-5 17,48 2069,34 1,91 108,34
Média ± Desvio Padrão 19,47 ± 2,81 2305,01 ± 333,28 1,85 ± 0,09 125,14 ± 23,75
Analisando os valores de desvio padrão obtidos, verifica-se que estes provetes apresentam mais
discrepância de resultados do que os provetes planos com uma camada de CFRP. Para a
confirmação de valores obtidos, deveriam ter sido realizados mais ensaios, mas, por razões
logísticas, tal não foi possível.
Na tabela 4.9 resumem-se os resultados obtidos para os provetes planos de CFRP, comparado-
os com os valores indicados pelo fabricante para as fibras de carbono utilizadas.
Tabela 4.9 – Resumo dos resultados de caracterização do CFRP e comparação com os dados do fabricante das fibras
Propriedades wz
(kN)
Var
(%)
wz
(MPa)
Var
(%)
wz
(%)
Var
(%)
w (GPa)
Var
(%)
S&P C-Sheet 240 -- -- 3800 -- 1,55 -- 240 --
P-REF-1C 8,60 -- 2062,66 45,7 1,30 -15,9 159 -33,8
P-REF-2C 19,47 -- 2305,01 -- 185 19,3 125 -47,9
Comparando os valores de tensão última, tem-se que os valores obtidos são consideravalmente
inferiores ao definido pelo fabricante. Este facto poderá ter como causa o escorregamento
observado no decorrer dos ensaios e a ondulação transversal existente em alguns dos provetes,
fruto do seu processo de fabrico. Para os provetes com uma camada tem-se um valor de tensão
última 45,7% menor do que o esperado.
Capítulo 4 – Estudo experimental
67
Relativamente à extensão última, verifica-se que os provetes planos com uma camada de CFRP
têm um decréscimo de 15,9% relativamente ao valor do fabricante para as fibras de carbono, o
que contrasta com o resultado obtido para os provetes com duas camadas de CFRP que
apresentam um aumento de 19,3%. No que concerne ao módulo de elasticidade, verifica-se que,
em ambos os casos, o valor obtido é inferior ao definido pelo fabricante (decréscimo em cerca
de 33,8% nos provetes com uma camada de fibras e em 47,9% nos provetes com duas camadas
de fibras).
Na tabela 4.10 apresenta-se a comparação das propriedades analisadas nos provetes planos,
verificando-se que os provetes planos com duas camadas de CFRP apresentam valores
superiores de força, tensão e extensão na rotura (126,6%, 11,8% e 41,9% respectivamente) e um
decréscimo no valor de módulo de elasticidade em cerca de 21,3%, relativamente aos provetes
planos com uma camada de CFRP.
Tabela 4.10 – Comparação entre os resultados obtidos nos ensaios de tracção às 0 horas
Propriedades wz
(kN)
Var
(%)
wz
(MPa)
Var
(%)
wz
(%)
Var
(%)
w (GPa)
Var
(%)
P-REF-1C 8,60 -- 2062,66 -- 1,30 -- 159,00 --
P-REF-2C 19,47 126,6 2305,01 11,8 1,85 41,9 125,14 -21,3
Analisando as diferenças obtidas, poder-se-á concluir que os provetes planos com duas camadas
de CFRP ensaiados às 0 horas aguentam maiores extensões e forças de tracção, mas, ao
contrário do esperado, são menos rígidos. Em termos de viabilidade dos resultados obtidos, está
patente que existiu escorregamento nas garras, em ambos os casos, sendo mais frequente nos
provetes planos com duas camadas de CFRP, o que poderá ter influenciado todos os resultados
analisados. Relativamente às roturas obtidas, no caso dos provetes planos com uma camada de
CFRP verificou-se que as roturas dão-se na direcção longitudinal das fibras, o que poderá estar
relacionado com a menor secção dos provetes planos, fragilizando a ligação entre as próprias
fibras.
Atendendo à dispersão obtida nos resultados, optou-se por considerar no Capítulo 5 o valor
de 240GPa para o módulo de elasticidade dos compósitos de CFRP, conforme indicado pelo
fabricante.
Estudo do comportamento de vigas
sujeitas a envelhecimento
68
4.4. Programa de envelhecimento
Como referido, o programa experimental incidiu sobre a avaliação da degradação de vigas
reforçadas à flexão após exposição a uma condição
temperatura. Nas secções seguintes apresentam
de preparação das mesmas. São apresentados esquemas do ensaio à flexão, incluindo a
instrumentação utilizada. Por último, descre
considerados e identificam-se todos os provetes utilizados no programa experimental.
4.4.1. Características e execução das vigas utilizadas
Todas as vigas ensaiadas foram
empresa Betão Liz, SA, utilizando sempre o mesmo betão, de forma a garantir uma matriz
comum.
As vigas utilizadas, apresentadas na f
dimensões 600x80x150mm3. No centro da viga (na
depressão (negativo) com a
negativo no centro da viga tem como função facilitar a rotura por flexão, distribuindo as tensões
no CFRP a partir da secção central da viga
a) vista inferior das vigas (face a reforçar)
Figura 4.12
A preparação da superfície de reforço foi realizada por imposição de jacto
obter uma superfície regular, com abertura de pequenos poros e
agregados. Este processo de decapagem teve como finalidade o favorecimento da aderência
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
Programa de envelhecimento
Como referido, o programa experimental incidiu sobre a avaliação da degradação de vigas
reforçadas à flexão após exposição a uma condição ambiental adversa, nomeadamente a
temperatura. Nas secções seguintes apresentam-se as vigas utilizadas e descreve
de preparação das mesmas. São apresentados esquemas do ensaio à flexão, incluindo a
instrumentação utilizada. Por último, descrevem-se os ambientes de envelhecimento
se todos os provetes utilizados no programa experimental.
Características e execução das vigas utilizadas
Todas as vigas ensaiadas foram betonadas em simultâneo com os provetes cúbicos de b
utilizando sempre o mesmo betão, de forma a garantir uma matriz
esentadas na figura 4.12, são elementos em betão (sem armadura) com
No centro da viga (na secção a meio vão) as vigas apresentam uma
) com a profundidade e largura de 20mm e 40mm, respectivamente
no centro da viga tem como função facilitar a rotura por flexão, distribuindo as tensões
no CFRP a partir da secção central da viga.
(face a reforçar); b) dimensões das vigas (com face a reforçar evidenciada)
12 – Aspecto e dimensões das vigas utilizadas
A preparação da superfície de reforço foi realizada por imposição de jacto de areia, permitindo
obter uma superfície regular, com abertura de pequenos poros e, ainda, a exposição parcial dos
agregados. Este processo de decapagem teve como finalidade o favorecimento da aderência
negativo
600mm
600mm
80mm a)
face a reforçar
Como referido, o programa experimental incidiu sobre a avaliação da degradação de vigas
ambiental adversa, nomeadamente a
se as vigas utilizadas e descreve-se o processo
de preparação das mesmas. São apresentados esquemas do ensaio à flexão, incluindo a
se os ambientes de envelhecimento
se todos os provetes utilizados no programa experimental.
em simultâneo com os provetes cúbicos de betão pela
utilizando sempre o mesmo betão, de forma a garantir uma matriz
igura 4.12, são elementos em betão (sem armadura) com
) as vigas apresentam uma
, respectivamente. O
no centro da viga tem como função facilitar a rotura por flexão, distribuindo as tensões
(com face a reforçar evidenciada)
de areia, permitindo
exposição parcial dos
agregados. Este processo de decapagem teve como finalidade o favorecimento da aderência
600mm
150mm
b)
Capítulo 4 – Estudo experimental
69
entre betão-adesivo-CFRP. O jacto de areia foi aplicado com a pressão média de 4,3bar por
face, tendo-se verificado que o tempo de decapagem por face aumentava devido a perda de
pressão no equipamento. O tempo médio de decapagem em cada viga foi de 82s.
Após a preparação da superfície, e antes de aplicar a resina de colagem, limpou-se a superfície
do betão, com jacto de ar, eliminando todos os detritos que comprometeriam a aderência.
Na figura 4.13 apresenta-se o processo de preparação da superfície de colagem e o aspecto final
da face a reforçar das vigas.
a) equipamento utilizado; b) preparação da superfície; c) aplicação do jacto de areia; d) aspecto final da superfície de colagem; e) detalhe dos agregados expostos
Figura 4.13 – Preparação da superfície de colagem das vigas
A aplicação de reforço nas vigas foi realizada no Laboratório de Estruturas do DEC-FCT/UNL.
e teve em conta as características das fibras de carbono e da resina epoxídica. Relativamente às
fibras de carbono, o corte do tecido foi efectuado de modo a desfiar o menor número de fibras
possivel, permitindo minimizar o número de fibras soltas após a impregnação da resina.
a) b) c)
d) e)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
70
No caso da resina epoxídica, no momento de mistura de componentes a temperatura ambiente
era superior à temperatura de aplicação definida pelo fabricante, pelo que o tempo de aplicação
do adesivo foi reduzido de 45 minutos para cerca de 15 minutos. Devido a este facto, e dado o
número elevado de provetes, foram realizadas duas misturas de componentes.
O processo de colagem do reforço realizou-se de acordo com as seguintes fases:
• delimitação da posição do tecido a colar nas vigas (figura 4.14-a);
• corte do tecido (figura 4.14-b);
a) delimitação da posição do tecido; b) direcção de corte
Figura 4.14 – Delimitação e direcção de corte do tecido
• preparação da resina de colagem (figura 4.15-a) b);
a) equipamento utilizado para a mistura dos componentes; b) mistura dos componentes
Figura 4.15 – Preparação da resina de colagem
a) b)
a) b)
direcção de corte das fibras do tecido
Capítulo 4 – Estudo experimental
71
• aplicação de uma camada de resina com cerca de 1mm de espessura na superfície do
betão (figura 4.16-a);
• colagem do tecido na zona delimitada e impregnação de resina, pressionando com a
trincha de forma a promover a ligação entre o betão e o CFRP e, ainda, a permitir a
eliminação de possíveis vazios entre camadas (figura 4.16-b);
• aplicação da segunda camada de resina com a mesma espessura da anterior;
• colagem da segunda camada de tecido e impregnação de uma camada de resina,
pressionando com a trincha e removendo os excessos de resina (figura 4.16-c));
• processo de cura dos provetes à temperatura ambiente (aproximadamente 25ºC) durante
cerca de 15 dias (figura 4.16-d).
Para os provetes com uma camada de reforço, foram excluídos do processo de colagem os
pontos relativos à segunda camada de tecido e de resina.
a) aplicação da resina na superfície do betão; b) colocação da primeira camada de CFRP;
c) finalização com espalhamento de resina; processo de cura do reforço
Figura 4.16 – Colagem do tecido de CFRP na superfície de betão
a) b)
c) d)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
72
4.4.2. Esquema de ensaio à flexão e instrumentação utilizada
O esquema de ensaio adoptado caracteriza-se por um sistema de três pontos, onde a viga
simplesmente apoiada é sujeita a um carregamento composto por uma carga pontual aplicada a
meio vão. Ambos os apoios situam-se a uma distância igual a 0,06m da extremidade da viga. Na
figura 4.17 apresenta-se a vista geral do ensaio.
Figura 4.17 – Vista geral do ensaio à flexão
A aplicação da carga foi efectuada por um cilindro hidráulico fixo a um pórtico de reacção que
carrega o mecanismo sobre a viga por meio de uma esfera metálica, sendo a carga quantificada
por uma célula de carga. O ensaio termina com a rotura da viga. Esta encontra-se assente num
bloco de apoio de betão armado que descarrega sobre a laje de pavimento do laboratório.
Na figura 4.18 representa-se a instrumentação e a transmissão de cargas efectuadas para o
ensaio à flexão.
0,08m
0,60m 0,90m
1,70m
cilindro hidráulico
célula de carga
pórtico
0,60m
viga
bloco de apoio
esfera metálica
Capítulo 4 – Estudo experimental
73
Figura 4.18 – Esquema da aplicação de cargas no ensaio à flexão
A transmissão de cargas foi efectuada pelo cilindro hidráulico (figura 4.19-a), de marca
Enerpac, movido por uma bomba a óleo (figura 4.19-b). Para a quantificação da carga utilizou-
se uma célula de carga, de marca Novatech com capacidade de 200kN (figura 4.19-c).
a) cilindro hidráulico a) bomba de óleo; b) célula de carga
Figura 4.19 – Cilindro hidráulico, bomba de óleo e célula de carga utilizados nos ensaios à
flexão
cilindro hidráulico
deflectómetro
esfera metálica
célula de carga
provete
apoio apoio
0,08m
0,60m
0,05m 0,05m
célula de carga
a) b) c)
0,50m
0,40m
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
74
Os deslocamentos foram monitorizados por meio de dois deflectómetros colocados a meio vão
de marca Tokyo Sokki Kenkyujo, com cursos de 100 e 50mm, de modelos CDP-100 e CDP-50,
respectivamente. Na figura 4.20 apresenta-se a disposição dos deflectómetro, assim como a
esfera metálica utilizada e um dos apoios (ambos os apoios eram semelhantes).
a) disposição dos deflectómetros; apoio; esfera metálica
Figura 4.20 – Deflectómetros, apoios e esfera metálica utilizados nos ensaios à flexão
A aquisição de dados relativos aos deslocamentos, cargas e, ainda, extensões foi permitida pela
utilização do equipamento de aquisição de dados de nome Spider8 ligado ao computador.
Nos ensaios de flexão de vigas envelhecidas foram colocados extensómetros ao longo do CFRP,
da marca Tokyo Sokki Kenkyujo, do tipo BFLA-5-5-3L, recomendados para a utilização em
materiais compósitos. Nestes extensómetros a medição das extensões é feita por um elemento
simples de comprimento de 5mm com a resistência de 120,4 ± 0,5 Ω.
Antes da colocação dos extensómetros a zona foi lixada para eliminar eventuais irregularidades
características do processo de wet lay up e para garantir uma superfície rugosa. Os
extensómetros foram colados na superfície do CFRP e posteriormente isolou-se a extremidade
junto aos extensómetros.
a)
a) c)
b)
Capítulo 4 – Estudo experimental
75
A colocação dos extensómetros no CFRP foi diferente para os provetes ensaiados às 2250 horas
e 4000 horas. Para as vigas ensaiadas às 4000 horas diminuiu-se o número de extensómetros
para metade, amarrando a secção da viga com uma faixa de CFRP com 160mm de largura com
duas camadas de CFRP. A amarração das vigas foi realizado antes da colocação dos
extensómetros, tendo sido utilizada a mesma resina epoxídica e fibras de carbono aplicadas no
reforço à flexão.
Na Figura 4.21 representa-se esquematicamente a disposição dos extensómetros utilizada para
os provetes envelhecidos. A distância média entre cada extensómetro foi de 4mm, com inicio a
cerca de 1mm do bordo do CFRP.
a)
b)
a) provetes ensaiados às 2250 horas; provetes ensaiados às 4000 horas
Figura 4.21 – Esquema da colocação dos extensómetros nos provetes ensaiados (dimensões em
mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 400 100
600
15
100
15
150
150
15
15
100
100 400 100
600
160
1 2 3 4 5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
76
4.4.3. Tipos de envelhecimento aplicado nas vigas reforçadas
O programa de envelhecimento das vigas reforçadas envolveu dois processos, um “natural” e
outro acelerado.
Envelhecimento “natural”
O envelhecimento “natural” foi realizado no Laboratório de Estruturas do DEC-FCT/UNL e
compreendeu um período de 4000 horas, em que os provetes foram sujeitos à temperatura que
rondou o intervalo (20ºC, 25ºC). Do conjunto de provetes sujeitos a envelhecimento “natural”,
foram ensaiados à flexão dois provetes às 2250 horas e às 4000 horas, respectivamente. Os
provetes em causa são identificados como V-NAT e correspondem a vigas reforçadas à flexão
com duas camadas de CFRP com 400mm de comprimento e 100mm de largura, dispostas no
centro da zona inferior da viga.
Envelhecimento acelerado
Para o envelhecimento acelerado foram considerados ciclos de temperatura de 24 horas no
intervalo de valores (-10ºC, 30ºC), sem controlo de humidade relativa (figura 4.22). Optou-se
por acções ambientais cíclicas por serem mais gravosas do que as acções permanentes.
Figura 4.22 – Ciclos de temperatura
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Tem
pera
tura
(ºC
)
Tempo (horas)
duração de um ciclo
Capítulo 4 – Estudo experimental
77
Os ciclos de temperatura foram realizados na câmara climática do laboratório do DEC-
FCT/UNL de marca Fitoclima 300 (figura 4.23-a). Neste ambiente foram colocadas vigas
reforçadas à flexão com CFRP e provetes planos com uma e duas camadas de CFRP (figura
4.23-b).
a) câmara climática utilizada; disposição dos provetes no interior da câmara
Figura 4.23 – Câmara climática utilizada no envelhecimento acelerado
4.4.4. Resumo dos provetes ensaiados
Nesta secção resumem-se todos os provetes ensaiados no decorrer do presente estudo
experimental, de acordo com as diferentes características de envelhecimento e incluindo os
provetes ensaiados às 0 horas (sem envelhecimento). Nas tabelas 4.11 e 4.12 apresentam-se os
provetes ensaiados à tracção e à flexão, respectivamente.
Tabela 4.11 – Identificação dos provetes ensaiados à tracção
Envelhecimento
Identificação
Características Tipo Duração (horas)
-- 0 P-REF-1C-1 ao P-REF-1C-5 * 1 camada de CFRP
P-REF-2C-1 ao P-REF-2C-5 * 2 camadas de CFRP
Acelerado 3500 P-ENV-1C-1 ao P-ENV-1C-5 1 camada de CFRP
P-ENV-2C-1 ao P-ENV-2C-5 2 camadas de CFRP
* Os resultados destes provetes já foram apresentados na secção referente à caracterização dos compósitos de CFRP
a) b)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
78
Tabela 4.12 – Identificação dos provetes ensaiados à flexão
Envelhecimento
Identificação
Características do sistema de reforço Tipo Duração (horas)
--
0
V-REF-1C-80 1 camada de CFRP com 80mm de largura
V-REF-1C-100 1 camada de CFRP com 100mm de largura
V-REF-2C-80 2 camadas de CFRP com 80mm de largura
V-REF-2C-100 **
2 camadas de CFRP com 100mm de largura
“natural” 2250
V-NAT-2250h
Acelerado V-ENV-2250h
“natural”
4000
V-NAT-4000h
Acelerado V-ENV-4000h-1
V-ENV-4000h-2
** Este provete serve de base de comparação com os provetes envelhecidos, uma vez que possui as mesmas características de reforço
Capítulo 5 – Resultados experimentais
79
REINFORCED WITH CFRP
Capítulo 5
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
5.1. Considerações gerais
No presente capítulo apresentam-se os resultados dos ensaios laboratoriais realizados no âmbito
do programa experimental com o intuito de avaliar a severidade dos efeitos da temperatura em
vigas de betão reforçadas à flexão com CFRP e provetes planos de CFRP. A apresentação dos
resultados é repartida em duas secções, consoante o tipo de ensaio realizado, tendo-se, numa
primeira fase, os ensaios à flexão e, de seguida, os ensaios à tracção. Todos os ensaios em causa
foram descritos no Capítulo 4.
5.2. Ensaios à flexão
A apresentação dos resultados dos ensaios experimentais de resistência mecânica das vigas de
betão reforçadas à flexão será feita pela seguinte ordem:
• figuras ilustrativas do modo de rotura obtido;
• gráfico força-deslocamento;
• diagramas com tensões no CFRP (σf) e tensões de aderência na ligação betão-CFRP
(τader), ambos para vários níveis de carga.
Os gráficos força-deslocamento resultam dos dados directos adquiridos no decorrer do ensaio e
permitem visualizar a influência do aumento da carga aplicada a meio vão, levando à rotura dos
provetes. Todos os dados presentes nos gráficos foram tratados ignorando valores dispersos
permitindo a uniformização da relação força-deslocamento, que se inicia sempre na origem do
referencial.
Com os valores obtidos para a carga última (Pu) e deslocamento máximo (δmax) determinou-se a
rigidez média (Kmed) dos provetes, pela equação:
Kmed = Pu
δmax (5.1)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
80
(5.2)
(5.3)
A distribuição de tensões no CFRP (σf) foi determinada de acordo com a lei de Hooke, aplicável
a um regime elástico, segundo a seguinte expressão:
σf= Ef. εf
Considerou-se como módulo de elasticidade (Ef) o valor de 240GPa, definido pelo fornecedor
do tecido de fibras.
A evolução das tensões de aderência (τader) foi determinada segundo as características do CFRP,
nomeadamente a espessura (tf), o módulo de elasticidade (Ef), a variação da extensão (∆ε) e
distância (∆L) entre extensómetros adjacentes, de acordo com a seguinte expressão:
τader= ∆ε . Ef. tf∆L
Em todos os diagramas de tensões (σf e τader), os cálculos foram efectuados para diferentes
patamares, de forma a compreender-se o andamento de tensões com o incremento de carga e a
identificar alguns fenómenos associados. Em ambos os casos, os valores são apresentados para
níveis de carga com incremento de 5kN entre cada, até ao valor da carga de rotura.
A apresentação dos ensaios de flexão é repartida consoante o período de envelhecimento
aplicado nas vigas, sendo:
• provetes ensaiados às 0 horas:
V-REF-1C-80, V-REF-1C-100, V-REF-2C-80 e V-REF-2C-100;
• provetes ensaiados às 2250 horas:
V-NAT-2250h e V-ENV-2250h;
• provetes ensaiados às 4000 horas:
V-NAT-4000h, V-ENV-4000h-1 e V-ENV-4000h-2.
5.2.1. Provetes ensaiados às 0 horas
Os provetes ensaiados às 0 horas correspondem às quatro vigas identificadas na tabela 4.11,
sendo que o provete V-REF-2C-100 serve como referência para as restantes vigas ensaiadas
com diferentes estágios e tipos de envelhecimento, uma vez que apresenta as mesmas
características de reforço (duas camadas de CFRP com 100mm de largura).
Capítulo 5 – Resultados experimentais
81
Nos ensaios à flexão das vigas V-REF não foram colocados extensómetros ao longo da extensão
máxima do compósito por razões logísticas, pelo que não se têm dados relativos às tensões no
CFRP e às tensões de aderência na ligação betão-CFRP. Apresenta-se, de seguida, os modos de
rotura obtidos e os diagramas força-deslocamento.
O incremento da carga a meio vão nas vigas V-REF teve como consequência a rotura das
mesmas, sempre por flexão, variando a zona de interface no destacamento do CFRP.
Na figura 5.1 apresenta-se a rotura típica dos provetes sem envelhecimento e um pormenor da
fenda vertical na zona do negativo, semelhante em todos os ensaios.
a) rotura por flexão; b) pormenor da rotura;
Figura 5.1 – Rotura típica dos provetes ensaiados às 0 horas
Na figura 5.2 apresentam-se os pormenores das descolagens do CFRP nos quatro provetes
ensaiados. O destacamento do CFRP variou consoante as características (em termos de camadas
e dimensões) do CFRP, sendo que:
• no caso dos provetes reforçados com uma camada de CFRP, as roturas foram adesivas,
praticamente sem destacamento de betão, verificando-se a separação das fibras ao longo
da sua direcção longitudinal com maior ênfase no provete V-REF-1C-100;
• nos provetes reforçados com duas camadas de CFRP, as roturas assumem o
descolamento do CFRP pela camada superficial do betão, muito mais profunda para o
provete V-REF-2C-100.
a) b)
Estudo do comportamento de vigas
sujeitas a envelhecimento
82
a) provete Vc) provete V
Figura 5.2 – Destacame
Na figura 5.3 apresentam-se os diagramas
rigidez dos provetes no decorrer do ensaio. Todos os diagramas sugerem a existência de dois
patamares: regime elástico, seguido de regime elástico até à rotura (com rigidez menor do que a
inicial). Entre as duas fases, iniciaram
longo da fibra, culminando no processo de rotura das vigas e destacamento dos CFRP.
Na tabela 5.1 resumem-se os resultados relativos aos provetes
se os valores obtidos para a carga de rotura (
(Qj) determinado pela equação 5.1
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
a) provete V-REF-1C-80; b) provete V-REF-2C-80; c) provete V-REF-1C-100; d) provete V-REF-2C-100
Destacamento do CFRP nos provetes ensaiados às 0 horas
se os diagramas força-deslocamento, onde é visível a alteração da
rigidez dos provetes no decorrer do ensaio. Todos os diagramas sugerem a existência de dois
, seguido de regime elástico até à rotura (com rigidez menor do que a
inicial). Entre as duas fases, iniciaram-se fenómenos de fissuração e descolamento localizado ao
longo da fibra, culminando no processo de rotura das vigas e destacamento dos CFRP.
se os resultados relativos aos provetes ensaiados às 0 horas;
se os valores obtidos para a carga de rotura (PF), deslocamento máximo (δ[]quação 5.1 e, ainda, o tipo de rotura.
a)
c)
nos provetes ensaiados às 0 horas
, onde é visível a alteração da
rigidez dos provetes no decorrer do ensaio. Todos os diagramas sugerem a existência de dois
, seguido de regime elástico até à rotura (com rigidez menor do que a
se fenómenos de fissuração e descolamento localizado ao
longo da fibra, culminando no processo de rotura das vigas e destacamento dos CFRP.
ensaiados às 0 horas; apresentam-
[]), rigidez média
b)
d)
Capítulo 5 – Resultados experimentais
83
Figura 5.3 – Diagramas força-deslocamento dos provetes ensaiados às 0 horas
Tabela 5.1 – Resultados experimentais dos provetes ensaiados às 0 horas
Envelhecimento
Provete z (kN) y (mm) y| (kN/mm) Tipo de Rotura Tipo Duração
(horas)
-- 0
V-REF-1C-80 11,99 2,68 4,47 Adesiva
V-REF-2C-80 16,29 1,78 9,15 Mista
V-REF-1C-100 14,81 2,89 5,12 Adesiva
V-REF-2C-100 18,70 1,79 10,45 Betão
A variação das espessuras dos provetes tem razão de 1,25. Comparando as cargas de roturas dos
provetes com uma camada de fibras tem-se uma relação de 1,24, pelo que o valor obtido é perto
do esperado. Por sua vez, para as cargas de rotura dos provetes com duas camadas de fibras
obteve-se uma razão de 1,15, o que é ligeiramente inferior ao esperado (1,25).
Verifica-se que o provete com maior carga de rotura e rigidez é o que apresenta maior número
de camadas de CFRP e maior largura de compósito. É também no provete V-REF-2C-100 que a
interface de rotura é mais evasiva, tendo-se verificado que ocorre na camada superfícial do
betão.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
For
ça (k
N)
Deslocamento (mm)
V-REF-1C-80
V-REF-2C-80
V-REF-1C-100
V-REF-2C-100
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
84
5.2.2. Provetes ensaiados às 2250 horas
Os provetes ensaiados às 2250 horas foram sujeitos a tipos de envelhecimento diferentes. A viga
V-NAT-2250h corresponde a um provete sujeito a envelhecimento à temperatura ambiente e a
viga V-ENV-2250h foi um provete sujeito a envelhecimento acelerado pela imposição de ciclos
de temperatura (-10ºC, 30ºC).
Provete V-NAT-2250h
O provete V-NAT-2250h obteve uma carga de rotura (PF) de 22,10kN para um deslocamento
máximo (δ\]) de 2,01mm e uma rigidez de 10,99kN/mm. Na figura 5.4 apresenta-se uma vista
geral do provete após a rotura e ilustra-se em pormenor a fenda de corte na zona de
destacamento do CFRP, respectivamente.
a) vista geral do provete após o ensaio; b) pormenor da fenda de corte; b) fendas no betão após rotura
Figura 5.4 – Vista geral e pormenor da rotura do provete V-NAT-2250h
Ext.2 Ext.3
b) c)
a)
Capítulo 5 – Resultados experimentais
85
A viga em causa rompeu com destacamento do CFRP. Este ocorreu desde a extremidade do
compósito até ao início da fenda de corte (aproximadamente a 200mm do apoio). A fenda de
corte iniciou-se entre o extensómetro 2 e 3 (Ext.2 e Ext. 3, respectivamente).
Na figura 5.5 apresenta-se a superfície de betão e do CFRP após a rotura. Verifica-se que o
destacamento do CFRP é do tipo misto, apresentando zonas de destacamento de betão e zonas
onde a descolagem ocorre no adesivo.
a) superfície do betão b) reforço após descolamento
Figura 5.5 – Pormenor do destacamento do CFRP no provete V-NAT-2250h
Na figura 5.6 apresenta-se o comportamento do provete V-NAT-2250h comparativamente ao
provete de referência com as mesmas características de reforço (V-REF-2C-100).
Figura 5.6 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-NAT-2250h e V-REF-2C-100
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
For
ça (k
N)
Deslocamento (mm)
V-NAT-2250h
V-REF-2C-100
a) b)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
86
Analisando a figura anterior, verifica-se que, a partir dos 1,8kN, o provete V-NAT-2250h
aumentou significativamente a rigidez, obtendo uma carga de rotura bastante superior à do
provete V-REF-2C-100. A rotura ocorreu para valores praticamente similares de deslocamento
máximo.
Nas figuras 5.7 e 5.8 apresentam-se os diagramas de tensões no CFRP e de tensões de aderência
ao longo do comprimento do compósito, respectivamente.
Figura 5.7 – Tensões no CFRP no provete V-NAT-2250h
Figura 5.8 – Tensões de aderência entre betão e CFRP no provete V-NAT-2250h
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P (
MP
a)
Posição (mm)
5 KN
10 KN
15 KN
20 KN
Pu = 22,10 KN
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
de a
derê
ncia
(M
Pa)
Posição (mm)
5 KN
10 KN
15 KN
20 KN
Pu = 22,10 KN
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Capítulo 5 – Resultados experimentais
87
Pela figura 5.7, verifica-se que as tensões no CFRP se concentram essencialmente a meio vão
para valores reduzidos de carga (5kN). A partir dos 10kN verifica-se uma distribuição de
tensões em direcção da extremidade do reforço, sendo esta distribuição menos uniforme para
valores próximos da carga de rotura. As leituras nos extensómetro 2 foram sempre muito mais
baixas do que nos restantes extensómetros. Estes valores poderão estar associados à presença de
fendas nesta zona. Observando o comportamento de tensões para a carga última, verifica-se que
o extensómetro 2 não acompanha os extensómetros que o rodeiam. Verifica-se também um pico
muito elevado entre os 20kN e a carga de rotura (22,10kN) no extensómetro 1. É nesta zona que
se inicia o destacamento do CFRP e se promove a fenda diagonal visivel na rotura da viga.
Relativamente à distribuição de tensões de aderência na superficie de colagem do CFRP
verifica-se que atingem o valor de 5,31MPa para o valor de carga máxima, ultrapassando o
valor da resistência à tracção do betão (fctm = 2,75MPa). Assiste-se a inversão de sinal na
passagem de alguns extensómetros que se deve a fenómenos de fendilhação que ocorrem nas
secções próximas destes extensómetros (Rodrigues, 1993).
V-ENV-2250h
O provete envelhecido na câmara climática ensaiado às 2250 horas obteve uma carga de rotura
(PF) de 14,08kN, um deslocamento máximo na rotura (δ[]) de 2,04mm e uma rigidez de
6,88kN/mm. Na figura 5.9 é visivel que a rotura se deu por flexão na zona do negativo, sendo
uma rotura adesiva pela análise da superficie de descolagem.
a) vista do compósito; vista da superfície do betão
Figura 5.9 – Rotura no provete V-ENV-2250h e pormenor da superfície do compósito e do betão
a) b)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
88
O incremento de carga até à rotura do provete é apresentado graficamente na figura 5.10, onde
se apresenta também o aumento de carga em função do deslocamento do provete de referência
(V-REF-2C-100).
Figura 5.10 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-ENV-2250h e V-REF-2C-100
O provete apresentou uma rigidez significativamente menor do que o provete de referência até
aos 3kN. A carga de rotura e o deslocamento máximo do provete V-ENV-2250h diminuiram
para cerca de metade comparativamente com o outro provete, o que comprova o efeito dos
ciclos de temperatura na degradação do sistema de reforço e no betão da viga.
Os diagramas de tensões no CFRP e as tensões de aderência entre betão-CFRP são apresentados
nas figuras 5.11 e 5.12, respectivamente.
As tensões no CFRP apresentam um comportamento quase linear para valores de carga até 5kN.
Com o aumento do carregamento as tensões tendem a aumentar concentrando-se a meio vão.
Analisando o lado esquerdo do gráfico, verifica-se que um pico no extensómetro 8 para a carga
de rotura. Este valor não é acompanhado pelos dois extensómetros anteriores a este. É neste
lado da viga que ocorre o descolamento do CFRP.
Observando as tensões de aderência, verifica-se a presença de valores muito elevados no lado
direito da viga (correspondente à zona de descolamento). O valor máximo atingido é 10,30MPa,
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
For
ça (k
N)
Deslocamento (mm)
V-ENV-2250h
V-REF-2C-100
Capítulo 5 – Resultados experimentais
89
ultrapassando a tensão de tracção do betão em cerca de cinco vezes. Assiste-se, à semelhança do
provete anterior, a situações com inversão de sinal, pelo que se pode dizer que existe presença
de fendilhação nas nas secções próximas aos extensómetros em causa.
Figura 5.11 – Tensões no CFRP no provete V-ENV-2250h
Figura 5.12 – Provete V-ENV-2250h: tensões de aderência entre betão e CFRP
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P (
MP
a)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
Pu = 14,21 kN
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
de a
derê
ncia
(M
Pa)
Posição (mm)
5 KN
10 KN
Pu = 14,21 KN
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
90
5.2.3. Provetes ensaiados às 4000 horas
Após um período de 4000 horas de envelhecimento, foram ensaiados três provetes,
nomeadamente: V-NAT-4000h, V-ENV-4000h-1 e V-ENV-4000-2. De seguida apresentam-se
os resultados obtidos para cada uma destas vigas.
Provete V-NAT-4000h
O provete V-NAT-4000h atingiu a rotura para o valor de carga (PF) de 22,37kN para um
deslocamento máximo (δá]) de 2,31mm. Apresenta uma rigidez média de 9,69kN/mm. A
figura 5.13 ilustra o modo de rotura obtido para o provete V-NAT-4000h e a superfície do
sistema de após o destacamento do CFRP.
a) fenda de flexão a meio vão do provete b) superfície de reforço após descolamento
Figura 5.13 – Rotura e pormenor da superfície de reforço do provete V-NAT-4000h
Pela figura 5.13-a tem-se que o provete rompe por flexão com destacamento do CFRP.
Observando a figura 5.13-b verifica-se que a superfície de colagem apresenta considerável
arrancamento de betão (muito superior à do provete V-NAT-2250h), pelo que a rotura ocorre no
betão.
Na figura 5.14 observa-se o comportamento força-deslocamento do provete V-NAT-4000h
comparativamente ao provete de referência V-REF-2C-100. O provete V-NAT-4000h apresenta
uma rigidez menor do que o provete V-REF-2C-100 até aos 19kN. Os valores de carga de rotura
e deslocamento máximo são superiores aos do provete ensaiado às 0 horas.
a) b)
Capítulo 5 – Resultados experimentais
91
Figura 5.14 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-NAT-4000h e V-REF-2C-100
Nas figuras 5.15 e 5.16 apresentam-se os diagramas de tensões no CFRP e os diagramas de
tensões de aderência entre o betão-CFRP para o provete V-NAT-4000h, respectivamente.
Figura 5.15 – Tensões no CFRP no provete V-NAT-4000h
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
For
ça (k
N)
Deslocamento (mm)
V-NAT-4000h
V-REF-2C-100
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P (
MP
a)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
15 kN
20 kN
Pu = 22,37 kN
1 2 3 4 5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
92
Figura 5.16 – Tensões de aderência entre betão e CFRP no provete V-NAT-4000h
As tensões no CFRP têm um comportamento quase linear para patamares de carga baixos. A
partir dos 10kN verifica-se o aumento das tensões que se concentram principalmente a meio vão
da viga. O valor máximo de tensão ocorre no extensómetro 5 é de 882,63MPa para uma carga
de rotura de 22,37kN.
Relativamente à distribuição de tensões de aderência na superficie de colagem do CFRP
verifica-se que atingem o valor de 3,49MPa para o valor de carga máxima, ultrapassando o
valor da resistência à tracção do betão.
V-ENV-4000h-1
O provete V-ENV-4000-1 obteve uma carga de rotura, PF = 20,48kN, um deslocamento máximo
na rotura, δ[] = 2,45mm, e uma rigidez de 9,11kN/mm. Na figura 5.17 pode observar-se, em
pormenor, a rotura do provete.A rotura do provete foi do tipo adesiva, visto o limitado
arrancamento de betão. Após o ensaio, o provete apresenta apenas uma fenda visivel a meio
vão.
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
de a
derê
ncia
(M
Pa)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
15 kN
20 kN
Pu = 22,37 kN
1 2 3 4 5
Capítulo 5 – Resultados experimentais
93
a) fenda de flexão no meio vão do provete; b) superfície do betão após rotura
Figura 5.17 – Pormenor da rotura do provete V-ENV-4000h-1
Na figura 5.18 apresenta-se o comportamento força-deslocamento do provete V-ENV-4000h-1
comparativamente ao provete de referência (V-REF-2C-100).
Figura 5.18 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-ENV-4000he V-REF-2C-100
Comparativamente ao provete de referência, o provete V-ENV-4000-1 apresenta uma rigidez
sensivelmente igual, entrando em rotura para um valor superior de carga.
Nas figuras 5.19 e 5.20 apresentam-se os diagramas de tensões no CFRP e o diagrama de
tensões de aderência entre betão-CFRP para o provete V-ENV-4000h-1, respectivamente.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
For
ça (k
N)
Deslocamento (mm)
V-ENV-4000h-1
V-REF-2C-100
a) b)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
94
Figura 5.19 – Tensões no CFRP no provete V-ENV-4000h-1
Figura 5.20 – Tensões de aderência no provete V-ENV-4000h-1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P (
MP
a)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
15 kN
Pu = 20,48 kN
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
de a
derê
ncia
(M
Pa)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
15 kN
Pu = 20,48 kN
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
Capítulo 5 – Resultados experimentais
95
Nos patamares baixos de carga, as tensões assumem um comportamento quase linear. Com o
aumento da carga, a concentração de tensões no CFRP dá-se maioritariamente a meio vão da
viga. O valor máximo de tensão no CFRP é de 683,48MPa no extensómetro 5 para uma carga
de rotura de 20,48kN.
Relativamente às tensões de aderência, verifica-se que o valor máximo é de 3,65MPa para a
carga de rotura. Existem oscilações de tensão para valores de carga com patamares elevados,
que contrastam com os patamares muito baixos de carga onde as tensões assumem um
comportamento quase linear.
V-ENV-4000h-2
O provete V-ENV-4000h-2 apresenta uma carga de rotura (PF) de 21,58kN, um deslocamento
máximo (δ[]) de 1,87mm e uma rigidez de 11,57kN/mm. A figura 5.21 apresenta uma vista
geral da rotura da viga e dois pormenores da superfície de betão e do destacamento do CFRP,
respectivamente.
a) vista geral do modo de rotura ocorrido para o provete; b) superfície do betão; c) destaque do CFRP
Figura 5.21 – Rotura do provete V-ENV-4000h-2
A rotura ocorreu a meio vão por flexão. Observa-se que a superfície de colagem tem agregados
ligados principalmente na zona a meio vão. Trata-se de uma rotura do tipo misto.
a)
b) c)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
96
Na figura 5.22 ilustra-se o comportamento força-deslocamento dos provetes V-ENV-4000h-2,
V-ENV-4000h-1 e V-REF-2C-100.
Figura 5.22 – Diagramas força-deslocamento dos provetes V-ENV-4000h-2 e V-ENV-4000-1 e
do provete de referência (V-REF-2C-100)
O provete V-ENV-4000h-2 apresentou uma rigidez superior à do provete de referência
(11,57kN/mm e 10,45kN/mm, respectivamente), obtendo uma carga de rotura superior, mas
para um deslocamento menor. A maior capacidade de carga poderá estar relacionada com a
possivel cura do adesivo, que melhorou as propriedades de ligação.
Comparativamente com o provete V-ENV-4000h-1, o segundo provete testado sujeito ao
mesmo tipo de envelhecimento por um igual período de tempo apresenta um comportamento
força-deslocamento diferente. Tem um valor de carga de rotura maior, rompendo para um valor
menor de deslocamento, pelo que o provete V-ENV-4000-2 é sensivelmente mais rigido do que
o provete V-ENV-4000-1 (11,57kN/mm e 9,11kN/mm, respectivamente).
Nas figuras 5.23 e 5.24 apresentam-se o diagrama de tensões no CFRP e o diagrama de tensões
de aderência entre o betão e o CFRP para o provete V-ENV-4000h-2, respectivamente.
Observa-se que as tensões no CFRP atingem o valor máximo de 865,87MPa para um valor de
carga de rotura de 21,58kN, valor superior ao valor máximo obtido no provete V-ENV-4000h-1
(683,48MPa no extensómetro 5 para uma carga de rotura de 20,48kN). Para as tensões de
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
For
ça (k
N)
Deslocamento (mm)
V-ENV-4000h-2
V-ENV-4000h-1
V-REF-2C-100
Capítulo 5 – Resultados experimentais
97
aderência tem-se valores mais elevados do que no provete V-ENV-4000h-1. O valor máximo de
12,41MPa ocorre no extensómetro 5 para o valor de carga última de 21,58kN.
Figura 5.23 – Tensões no CFRP no provete V-ENV-4000h-2
Figura 5.24 – Tensões de aderência no provete V-ENV-4000h-2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P (
MP
a)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
15 kN
20 kN
Pu = 21,58 kN
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
de a
derê
ncia
(M
Pa)
Posição (mm)
5 kN
10 kN
15 kN
20 kN
Pu = 21,58 kN
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
98
5.3. Ensaios à tracção
Os resultados apresentados nas secções seguintes referem-se aos ensaios à tracção realizados
nos provetes planos de CFRP, envelhecidos por um período de 3500 horas em ciclos de
temperatura (ambiente já caracterizado). Na figura 5.25 apresenta-se um dos provetes a ser
submetido ao ensaio de tracção.
a) antes da rotura; b) pós-rotura
Figura 5.25 – Provete plano de CFRP sujeito ao ensaio à tracção
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Resistência de Materiais do DEC-FCT/UNL
com o procedimento de ensaio igual ao referido no Capítulo 4, na secção referente à
caracterização mecânica dos compósitos de CFRP.
À semelhança dos provetes planos de referência, os resultados apresentados de seguida foram
divididos em dois grupos: provetes P-ENV-1C e provetes P-ENV-2C.
A demonstração de resultados dos ensaios de tracção segue o padrão utilizado no Capítulo 4,
sendo apresentados gráficos tensão-extensão e tabelas com os resultados obtidos na rotura. Os
cálculos dos parâmetros foram realizados de acordo com as equações 4.7 à 4.9. Na tabela 5.2
apresenta-se a identificação utilizada para estes provetes, sendo os valores médios
acompanhados pelo respectivo desvio padrão.
a) b)
Capítulo 5 – Resultados experimentais
99
Tabela 5.2 – Identificação e dimensões relevantes dos provetes planos envelhecidos
Identificação Número de
camadas
(mm)
,yé
(mm)
(mm)
,yé
(mm)
P-ENV-1C-1
1
1,10
1,18 ± 0,02
23,90
23,65± 0,12
P-ENV-1C-2 1,10 23,90
P-ENV-1C-3 1,10 23,80
P-ENV-1C-4 1,40 23,10
P-ENV-1C-5 1,20 23,55
P-ENV-2C-1
2
1,85
1,95 ± 0,08
23,50
23,78± 0,14
P-ENV-2C-2 1,80 23,80
P-ENV-2C-3 1,70 23,30
P-ENV-2C-4 2,00 24,15
P-ENV-2C-5 2,40 24,15
5.3.1. Provetes planos com uma camada de CFRP às 3500 horas
Foram ensaiados à tracção 5 provetes com uma camada de CFRP sujeitos a envelhecimento
acelerado. Na figuras 5.26 ilustra-se a sua relação tensão-extensão.
Figura 5.26 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos com uma camada de CFRP envelhecidos
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2
Ten
são
(MP
a)
Extensão (%)
P-ENV-1C-1
P-ENV-1C-2
P-ENV-1C-3
P-ENV-1C-4
P-ENV-1C-5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
100
Face aos acontecimentos no decorrer dos ensaios e aos diagramas obtidos tem-se um
comportamento linear com uma rotura frágil. Nos provetes P-ENV-1C-2 e P-ENV-1C-4 existiu
escorregamento gradual das garras ao longo do ensaio (o gráfico apresentado para o provete
plano P-ENV-1C-4 corresponde ao obtido após novo aperto de garras). Como referido, este
efeito poderá ter como causa a má polimerização da resina aplicada na colagem dos tabs.
Na figura 5.27 apresentam-se as roturas obtidas em todos os provetes planos com uma folha de
CFRP envelhecidos. As roturas ocorreram perto das garras ou ao longo da própria fibra, com a
excepção do primeiro provete apresentado que rompeu perto da secção central.
Figura 5.27 – Roturas dos provetes planos com uma camada de CFRP envelhecidos
Na tabela 5.3 apresentam-se os resultados obtidos, em termos de força de rotura (F$F), tensão
última (σ$F), extensão na rotura (ε$F) e módulo de elasticidade (E$).
Tabela 5.3 – Resultados dos provetes planos com uma camada de CFRP envelhecidos
Provete wz (kN) (MPa) (%) (GPa)
P-REF-1C-1 8,27 1964,88 1,34 146,63
P-REF-1C-2 6,31 1500,05 -- --
P-REF-1C-3 8,53 2036,68 1,43 142,43
P-REF-1C-4 9,20 2262,79 -- --
P-REF-1C-5 9,45 2280,34 1,71 133,35
Média ± Desvio Padrão 8,75 ± 0,62 2093,97 ± 165,35 1,49 ± 0,19 140,80 ± 6,79
P-ENV-1C-1
P-ENV-1C-2
P-ENV-1C-3
P-ENV-1C-4
P-ENV-1C-5
Capítulo 5 – Resultados experimentais
101
5.3.2. Provetes planos com duas camadas de CFRP às 3500 horas
Nas figuras 5.28 e 5.29 ilustra-se os diagramas tensão-extensão e as roturas obtidas nos 5
provetes planos com duas camadas de CFRP ensaiados à tracção após 3500 horas de
envelhecimento, respectivamente.
Figura 5.28 – Diagramas tensão-extensão dos provetes planos com duas camadas de CFRP envelhecidos
Figura 5.29 – Roturas obtidas nos provetes planos com duas camadas de CFRP ensaiados às 3500 horas
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2
Ten
são
(MP
a)
Extensão (%)
P-ENV-2C-1
P-ENV-2C-2
P-ENV-2C-3
P-ENV-2C-4
P-ENV-2C-5
P-ENV-2C-1
P-ENV-2C-2
P-ENV-2C-3
P-ENV-2C-4
P-ENV-2C-5
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
102
Pela figura 5.28, verifica-se que os provetes P-ENV-2C-3 e P-ENV-2C-4 sofreram
escorregamento nas garras, razão pela qual a tensão de rotura e a extensão máxima apresentam
valores muito baixos, relativamente aos restantes provetes.
Em termos de roturas, apresentadas na figura 5.29, verifica-se que não existe um
comportamento padrão, sendo que para os provetes planos considerados como válidos tem-se
rotura na secção central (P-ENV-2C-1) e rotura ao longo das fibras (P-ENV-2C-2). No provete
P-ENV-2C-3 é visivel o deslocamento do tab direito, devido à má polimerização da resina de
colagem, à semelhança dos dois provetes seguintes.
Na tabela 5.4 apresentam-se os valores obtidos às 3500 horas para os provetes planos com duas
camadas de CFRP envelhecidos.
Tabela 5.4 – Resultados dos provetes planos com duas camadas de CFRP envelhecidos
Provete wz (kN) (MPa) (%) (GPa)
P-ENV-2C-1 18,86 2280,42 1,92 118,77
P-ENV-2C-2 17,44 2081,17 1,73 120,30
P-ENV-2C-3 8,40 1024,36 -- --
P-ENV-1C-4 6,76 794,68 -- --
P-ENV-1C-5 16,16 1900,78 -- --
Média ± Desvio Padrão 18,15 ± 1,01 2180,80 ± 140,89 1,83 ± 0,13 119,54 ± 1,08
Capítulo 6 – Análise de resultados
103
Capítulo 6
ANÁLISE DE RESULTADOS
6.1. Considerações gerais
Este capítulo visa a análise dos resultados experimentais que são comparados entre si e, sempre
que possível, com formulações teóricas, algumas das quais definidas no Capítulo 2. À
semelhança do capítulo anterior, o presente é repartido em duas secções correspondentes a cada
tipo de ensaio, nomeadamente os ensaios de flexão e os ensaios de tracção.
6.2. Ensaios de flexão
6.2.1. Relação força-deslocamento
Provetes ensaiados às 0 horas
A tabela 6.1 apresenta a variação nas propriedades dos provetes ensaiados às 0 horas com o
intuito de analisar a influência da largura do reforço, onde onde L$ é a largura do reforço, C é o
número de camadas de CFRP e Var. representa a variação existente nas referidas propriedades.
Tabela 6.1– Influência da largura do reforço nas propriedades dos provetes ensaiados às 0 horas
Envelhecimento
Provete
(mm) C (-)
(kN)
Var. (%)
¡¢\£ (mm)
Var. (%)
¤¢é¥ (kN/mm)
Var. (%)
Tipo Duração (horas)
-- 0
V-REF-1C-80 80 1
11,99 -- 2,68 -- 4,47 --
V-REF-1C-100 100 14,81 23,5 2,89 7,8 5,12 14,5
V-REF-2C-80 80 2
16,29 -- 1,78 -- 9,15 --
V-REF-2C-100 100 18,70 14,8 1,79 0,6 10,45 14,2
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
104
Analisando os resultados relativos às vigas reforçadas com uma camada de CFRP verifica-se
um incremento nas suas propriedades, nomeadamente 23,5% na capacidade carga, 7,8% no
deslocamento máximo e 14,5% na rigidez média. Para os provetes com duas camadas de CFRP
obteve-se também aumento nas propriedades embora mais reduzido no caso da capacidadede
carga (14,8%) e na rigidez média (14,2%). O deslocamento máximo não tem um aumento
significativo (0,6%).
A explicação para estes ganhos reside, em ambos os casos, no aumento da largura do reforço
que permite o aumento da sua capacidade de carga, rompendo para deslocamentos maiores e,
como consequência, tem-se o aumento da sua rigidez média.
Na tabela 6.2 apresenta-se a variação das propriedades dos provetes em função do número de
camadas de reforço.
Tabela 6.2 – Influência do número de camadas nas propriedades dos provetes ensaiados às 0 horas
Envelhecimento
Provete
(mm) C (-)
(kN)
Var. (%)
¡¢\£ (mm)
Var. (%)
¤¢é¥ (kN/mm)
Var.(%)
Tipo Duração (horas)
-- 0
V-REF-1C-80 80
1 11,99 -- 2,68 -- 4,47 --
V-REF-2C-80 2 16,29 35,9 1,78 -33,6 9,15 104,7
V-REF-1C-100 100
1 14,81 -- 2,89 -- 5,12 --
V-REF-2C-100 2 18,70 26,3 1,79 -38,1 10,45 104,1
O aumento do número de camadas reflecte o acréscimo na capacidade de carga, sendo
aproximadamente 9,6% vezes maior para o caso dos provetes com 80 mm de largura de reforço.
O aumento da rigidez média é praticamente similar em ambos os casos, devido à diminuição da
flecha na rotura com um decréscimo de 33,6% nos provetes com menor largura de reforço e
38,1% nos provetes com 100mm de largura de reforço.
Vários autores sugerem que a largura e o aumento da espessura de reforço têm influência nos
parâmetros que caracterizam a interface betão-CFRP. Segundo Buyukozturk et al (2004) o
aumento da espessura do compósito potencia o destacamento do FRP. Benjeddou et al (2007)
verificou em vigas de betão armado reforçadas à flexão com a colagem exterior de laminados de
CFRP que a probabilidade da rotura acontecer por destacamento devido a fendas de flexão
aumenta com a utilização de larguras de laminados menores.
Capítulo 6 – Análise de resultados
105
Analisando os tipos de roturas obtidos, verifica-se que os destacamentos obtidos são mais
evasivos na pelicula superfícial do betão com o aumento do número de camadas de reforço.
Analisando a influência da largura do laminado para os provetes com uma camada de reforço
verifica-se que a rotura é adesiva em ambos os casos, mas para uma largura maior de reforço as
fibras desintegram-se longitudinalmente com maior ênfase. No caso dos provetes com duas
camadas de reforço é visivel que o aumento da largura do reforço potencia o destacamento na
camada superficial do betão.
Provetes com envelhecimento “natural” e acelerado
Dada a natureza diferente do reforço aplicado nas vigas ensaiadas às 2250 e 4000 horas, o único
parâmetro comparável é a carga de rotura. Assim, tabela 6.3 apresenta-se a evolução dos valores
obtidos de carga de rotura nos provetes sujeitos a envelhecimento “natural” e acelerado e as
variações obtidas, respectivamente. Tem-se como referência o provete ensaiado às 0 horas o
provete P-REF-2C-100.
Tabela 6.3 – Variação da carga de rotura provetes envelhecidos
Envelhecimento
Provete PPPPuuuu (kN)
Var. (%) Tipo Duração
(horas)
-- 0 V-REF-2C-100 18,70 --
“natural” 2250 V-NAT-2250h 22,10 18,2
4000 V-NAT-4000h 22,37 19,6
Acelerado 2250 V-ENV-2250h 14,01 - 25,1
4000 V-ENV-4000h 21,00 12,3
Para os provetes com envelhecimento “natural”, verifica-se que o provete ensaiado às 2250
horas tem um aumento na carga de rotura de 18,2%. Este valor aumenta em cerca de 19,6% para
o provete ensaiado às 4000 horas. O aumento da carga de rotura poderá estar associado com o
melhoramento das propriedades da interface de rotura. Relativamente aos provetes sujeitos a
envelhecimento acelerado, verifica-se um decréscimo na carga de rotura de 25,1% às 2250horas
e um aumento de 12,3% às 4000 horas.
De seguida, compara-se a evolução das cargas de rotura com as horas de envelhecimento para
os dois tipos de envelhecimento realizados através da figura 6.1.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
106
Figura 6.1 – Evolução da carga de rotura para os dois tipos de envelhecimento
Assiste-se, para o envelhecimento “natural”, ao aumento da carga de rotura, que se poderá
traduzir pelo melhoramento das propriedades da interface de rotura. Para o envelhecimento
acelerado tem-se alguma dispersão de resultados, uma vez que às 2250 horas verifica-se o
decréscimo da carga de rotura, seguido de um aumento às 4000 horas. Tal como esperado, seja
qual for o período do ensaio, as cargas de rotura dos provetes envelhecidos por ciclos de
temperatura são sempre inferiores às dos provetes envelhecidos à temperatura ambiente, pelo
que se pode dizer que o envelhecimento ciclico é mais severo do que o envelhecimento
“natural”.
6.2.2. Tensões máximas no CFRP
Provetes ensaiados às 2250 horas
Para os provetes envelhecidos e ensaiados às 2250 horas é possível analisar as tensões máximas
à esquerda e à direita da secção central.
Na tabela 6.4 apresentam-se as tensões de rotura máximas no CFRP à esquerda e à direita da
secção central para os provetes com período de envelhecimento de 2250 horas (σf,esq e σf,dir, respectivamente) e as variações obtidas (Var.) relativamente ao provete com envelhecimento
“natural” (V-NAT-2250h).
0
4
8
12
16
20
24
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Car
ga d
e ro
tura
(kN
)
Tempo (horas)
V-NAT
V-ENV
Capítulo 6 – Análise de resultados
107
Tabela 6.4 – Valores máximos de tensão no CFRP nos provetes ensaiados às 2250 horas
Envelhecimento
Provete σσσσffff,,,,esesesesqqqq (MPa)
Var. (%)
σσσσffff,,,,dirdirdirdir (MPa)
Var. (%) Tipo Duração
(horas)
“natural” 2250
V-NAT-2250h 1051,24 -- 1032,94 --
Acelerado V-ENV-2250h 790,64 -24,8 671,80 -35
Verifica-se uma diminuição das tensões de rotura no CFRP com o decorrer do envelhecimento,
nomeadamente um decréscimo de 24,8% do valor da tensão máxima à esquerda e uma redução
de 35% no valor da tensão máxima à direita da secção a meio vão, relativamente ao provete com
envelhecimento “natural” (V-NAT-2250h).
Ao analisar os valores máximos obtidos à esquerda e à direita da secção a meio vão, verifica-se,
em ambos os provetes, que a tensão máxima à esquerda é superior. A rigidez concentra-se,
portanto, no lado esquerdo dos provetes. É neste lado dos modelos de viga ensaiados à flexão
que ocorre o descolamento do CFRP, sendo este capaz de mobilizar mais carga.
A figura 6.2 ilustra o desenvolvimento das tensões nos dois provetes envelhecidos para os
seguintes níveis de carga: 5kN e 10kN. Não são comparáveis níveis de carga superiores aos
apresentados (à excepção da carga de rotura), uma vez que o provete sujeito a envelhecimento
acelerado (V-ENV-2250h) rompeu uma carga de 14,21kN (inferior ao escalão de carga
seguinte: 15kN).
Aos 5kN de carga observa-se, de um modo geral, um comportamento similar na tensão no
CFRP dos dois provetes. Apresentam um comportamento quase linear, sem níveis de tensão
elevados, apesar do provete V-NAT-2250h já denunciar concentração de tensões no CFRP na
zona central da viga com valores superiores ao provete V-ENV-2250h.
O carregamento de 10kN revela o aumento das tensões no CFRP em ambos os provetes, sendo
visivel a presença de valores superiores de tensão na zona central da viga V-NAT-2250h. Para
este nível de carga, o provete V-ENV-2250h encontra-se próximo da carga de rotura, porém as
tensões obtidas são muito inferiores às tensões na rotura.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
108
Figura 6.2 – Evolução da tensão no CFRP para os escalões de carga de 5kN e 10kN nos provetes ensaiados às 2250 horas
Na figura 6.3 apresenta-se a evolução das tensões para as cargas de rotura dos provetes
ensaiados às 2250 horas. Verifica-se que não existe um comportamento padrão na carga de
rotura, mas tal como era esperado o provete sujeito a envelhecimeno acelerado (V-ENV-2250h)
apresenta maior degradação devido à imposição dos ciclos de temperatura que se reflecte, em
termos globais, na presença de valores de tensões no CFRP inferiores à do provete sujeito a
envelhecimento “natural” (V-NAT-2250h).
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
P =
5 k
N
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-2250h
V-ENV-2250h
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
P =
10 k
N
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-2250h
V-ENV-2250h
Capítulo 6 – Análise de resultados
109
Figura 6.3 – Evolução da tensão no CFRP para o escalão de carga de rotura nos provetes ensaiados às 2250 horas
Provetes ensaiados às 4000 horas
Na tabela 6.5 apresentam-se as tensões de rotura máximas no CFRP à esquerda da secção
central para os provetes com período de envelhecimento de 4000 horas (σf,esq), as variações
obtidas (Var.).
Tabela 6.5 – Valores máximos da tensão no CFRP nos provetes ensaiados às 4000 horas
Envelhecimento
Provete σσσσffff,,,,esqesqesqesq (MPa)
Var. (%)
Var.méd. (%) Tipo Duração
(horas)
“natural”
4000
V-NAT-4000h 882,63 -- --
Acelerado V-ENV-4000h-1 683,48 -22,6
-12,2 V-ENV-4000h-2 865,87 -1,9
Comparando os valores de tensão máxima com o valor máximo obtido para o provete sujeito a
envelhecimento “natural”, verifica-se que, em ambas as vigas colocadas na câmara climática, se
tem um decréscimo de tensões. Porém, assiste-se a um decréscimo considerável na primeira
viga ensaiada (V-ENV-4000h-1) na ordem dos 22,6% e uma diminuição muito menor no
provete V-ENV-4000h-2 de 1,9%. Em média, tem-se um decréscimo de 12,2% nos provetes
com envelhecimento acelerado em relação ao provete com envelhecimento “natural”, pelo que
se pode concluir que os provetes sujeitos a envelhecimento acelerado estão mais degradados.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
Pu
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-2250h
V-ENV-2250h
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
110
Nas figuras 6.4 e 6.5 descreve-se graficamente o desenvolvimento das tensões nos três provetes
ensaiados às 4000 horas para os seguintes níveis de carga: 10kN, 15kN e 20kN. Optou-se por
não representar graficamente o desenvolvimento das tensões para o nível de carga 5kN por ser
muito semelhante ao obtido para o carregamento de 10kN.
Figura 6.4 – Evolução da tensão no CFRP para os escalões de carga de 10kN e 15kN nos provetes ensaiados às 4000 horas
Aos 10kN verifica-se que, entre os três provetes, a viga V-ENV-4000h-1 apresenta um valor de
tensão na secção central ligeiramente inferior. Pode-se concluir que até aos 10kN de carga, o
comportamento dos provetes, em termos de tensão no CFRP, é praticamente similar. Aos 15kN
é visivel que o provete sujeito a envelhecimento “natural” apresenta maior valor de tensão na
secção a meio vão, comparativamente aos provetes sujeitos a envelhecimento acelerado.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
P =
10
kN
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-4000h
V-ENV-4000h-1
V-ENV-4000h-2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
P =
15
kN
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-4000h
V-ENV-4000h-1
V-ENV-4000h-2
Capítulo 6 – Análise de resultados
111
Figura 6.5 – Evolução da tensão no CFRP para os escalões de carga de 20 kN nos provetes ensaiados às 4000 horas
O carregamento de 20kN revela novamente a um valor de tensão superior na secção a meio vão
para o provete V-NAT-4000h. Verifica-se que o provete V-ENV-4000h-1 apresenta um
comportamento, em termos de tensões no CFRP, similar ao provete com envelhecimento
“natural”.
Na figura 6.6 apresenta-se a evolução das tensões para as cargas de rotura de todos os provetes
ensaiados às 4000 horas.
Figura 6.6 – Evolução da tensão no CFRP para o escalão de carga de rotura nos provetes ensaiados às 2250 horas
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
P =
20
kN
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-4000h
V-ENV-4000h-1
V-ENV-4000h-2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
Pu
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-4000h
V-ENV-4000h-1
V-ENV-4000h-2
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
112
Verifica-se que o provete sujeito a envelhecimento “natural” sofreu menos consequências de
degradação, uma vez que apresenta tensões superiores às obtidas pelos provetes colocados na
câmara climática. Entre os dois provetes com envelhecimento acelerado tem-se valores muito
próximos, com excepção da secção a meio vão onde o segundo provete a ser ensaiado apresenta
maior valor de tensão.
Comparação das tensões ao longo do tempo de envelhecimento
De seguida, compara-se a evolução da tensão no CFRP ao longo do tempo para o escalão de
carga correspondente à carga de rotura. Na figura 6.7 apresenta-se a evolução dos provetes
sujeitos a envelhecimento “natural” e sujeitos a envelhecimento acelerado, respectivamente. Em
ambos os casos, analisa-se so um dos lados dos provetes, visto não terem sido colocados
extensómetros ao longo de todo o comprimento do compósito nos provetes ensaiados às 4000
horas.
Figura 6.7 – Evolução da tensão no CFRP para o escalão de carga de rotura nos provetes ensaiados
Verifica-se que não existe um comportamento padrão para o escalão de carga de rotura. Seria de
esperar que os provetes envelhecidos por ciclos de temperatura apresentassem uma resistência
inferior aos provetes colocados à temperatura ambiente e que a sua resistência, em termos de
tensões, diminuisse ao longo do período de envelhecimento. Verifica-se que não é assim tão
linear, existindo picos que contornam esta suposição.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600
Ten
são
no C
FR
P p
ara
Pu
(MP
a)
Posição (mm)
V-NAT-2250h
V-ENV-2250h
V-NAT-4000h
V-ENV-4000h-1
V-ENV-4000h-2
Capítulo 6 – Análise de resultados
113
6.2.3. Tensões de aderência médias e máximas
As tensões de aderência foram obtidas para os provetes ensaiados às 2250 e 4000 horas. Devido
à redução do número de extensómetros, nos provetes envelhecidos por 4000 horas apenas se
tem os valores das tensões de aderência num dos lados das vigas.
Nas tabelas 6.6 e 6.7 apresentam-se os valores obtidos para as tensões de aderência à esquerda
(τader,esq) e à direita (τader,dir) entre a ligação do betão ao CFRP nos provetes ensaiados às 2250
e 4000 horas com envelhecimento “natural” e acelerado, respectivamente.
Tabela 6.6 – Valores máximos de tensão no CFRP nos provetes com envelhecimento “natural”
Envelhecimento
Provete §aderaderaderader,,,,esqesqesqesq (MPa)
Var. (%)
ττττaderaderaderader,,,,dirdirdirdir (MPa)
Var. (%) Tipo Duração
(horas)
“natural” 2250 V-NAT-2250h 5,31 -- 4,57 --
4000 V-NAT-4000h 3,49 -34,3 -- --
Tabela 6.7 – Valores máximos de tensão no CFRP nos provetes com envelhecimento acelerado
Envelhecimento
Provete §aderaderaderader,,,,esqesqesqesq (MPa)
Var. (%)
ττττaderaderaderader,,,,dirdirdirdir (MPa)
Var. (%) Tipo Duração
(horas)
Acelerado
2250 V-ENV-2250h 10,30 -- 4,96 --
4000 V-ENV-4000h-1 3,49 - 66,1 -- --
V-ENV-4000h-2 12,41 20,4 -- --
Analisando as tensões máximas à esquerda, verifica-se que o envelhecimento “natural” promove
a perda de 34,3%, tendo como referência o provete ensaiado às 2250 horas. No caso das vigas
envelhecidas por ciclos de temperatura (envelhecimento acelerado), os resultados são um pouco
dispersos. Verifica-se um decréscimo de 66,1% no provete V-ENV-4000h-1, e um aumento em
cerca de 20,4% no provete V-ENV-4000h-2.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
114
Forças no CFRP
As forças no CFRP (FCFRP) foram calculadas simplificadamente de acordo com a figura 6.8 que
se traduz pelas seguintes equações:
¨ F© = 0
¨ Mmª = MQ«&¬&
MQ«&¬& = PF2 . B
F¯°N± = MQ«&¬&z
onde F© representa as forças horizontais, MLN representa os momentos na linha neutra, MQ«&¬& é o momento flector a meio vão, PF é o valor da carga de rotura, B é o braço binário
(distância entre o apoio e a secção a meio vão) e z é a distância entre a força de compressão do
betão e a força no CFRP. Por simplificação, considerou-se para o cálculo de z:
z = 0,9. d
em que d é a distância entre a fibra mais comprimida e a posição da força no CFRP.
Figura 6.8 – Equilíbrio da secção reforçada (simplificação)
(6.1)
(6.2)
(6.3)
(6.4)
(6.5)
PF
B = 0,295m
0,300m
³´
0,08m z=0,06m
Capítulo 6 – Análise de resultados
115
Na tabela 6.8 apresentam-se os valores obtidos para a força no CFRP em todos os provetes com
envelhecimento ensaiados, incluindo o provete de referência.
Tabela 6.8 – Força no CFRP
Envelhecimento Provete
z
(kN)
µy|¶ã (kN.m)
³´ (kN)
Tipo Duração (horas)
-- 0 V-REF-2C-100 18,70 2,76 45,97
“natural” 2250
V-NAT-2250h 22,10 3,26 54,33
Envelhecido V-ENV-2250h 14,08 2,08 34,61
“natural”
4000
V-NAT-4000h 22,37 3,30 54,99
Envelhecido
V-ENV-4000h-1 20,48 3,02 50,35
V-ENV-4000h-2 21,58 3,18 53,05
Face aos diferentes tipos e períodos de envelhecimento apresentam-se de seguida as variações
obtidas separadas por grupo de provetes passível de ser comparado, tendo como referência o
provete ensaiado às 0 horas (V-REF-2C-100):
• nos provetes sujeitos a envelhecimento “natural” verifica-se um aumento nas forças no
CFRP às 2250 horas em cerca de 18,2% e às 4000 horas em cerca de 19,6%;
• nos provetes sujeitos a envelhecimento acelerado tem-se um decréscimo de força no
CFRP às 2250 horas (24,7%), seguido de um aumento às 4000 horas em 12,5% (média
entre valores obtidos nos dois provetes testados);
• comparando os provetes envelhecidos à temperatura ambiente com os colocados na
câmara climática, às 2250 horas, verifica-se que este último apresenta um força maior
com um aumento de 1,2%. Para as 4000 horas assiste-se novamente a valores de força
menores dos obtidos no provete sujeito a envelhecimento “natural” sendo o decréscimo
na ordem dos 6%.
Com base na equação 2.12, definida pelo fib bulletin 14 (2001), o valor da força máxima de
ancoragem (Nfa,max) é dada por 24,83kN. Para a resolução da referida equação foram
considerados os seguintes valores: α=0,9, c'=0,54, k=1, k_=1,06, b=100mm, E$=240GPa, t$=0,352mm e fb=2,75MPa. Comparando o valor calculado com os resultados experimentais,
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
116
verifica-se que o valor teórico é muito inferior aos valores obtidos, o que demonstra que a
proposta do fib bulletin 14 (2001) é conservativa.
Utilizando as expressões, definidas por Teng et al (2001), que permitem o cálculo da força
máxima no CFRP (P[]), tem-se que:
P[] = 0,4. β$. b$. fg,c·. aE$. t$ ≅ 7,99kN
β$ = d2 − _T_1 + _T_ ≅ 0,89
Comparativamente com a expressão do fib bulletin 14 (2001), a proposta de Cheng e Teng
(2001) traduz-se num valor menor de força no CFRP. Ambos os métodos são bastantes
conservativos quando comparados com os valores experimentais que se situam acima dos 30kN.
Tensão de aderência média
A tensão de aderência média (τ[jQ¹.éj), apresentada na tabela 6.9, foi determinada pela relação
entre a força no CFRP (F¯°N±) e a área de colagem (A&:) através da seguinte expressão:
τ[jQ¹.éj = F¯°N±A&:
Tabela 6.9 – Tensões de aderência médias
Envelhecimento Provete §|º.yé (MPa)
Tipo Duração (horas)
-- 0 V-REF-2C-100 1,31
“natural” 2250
V-NAT-2250h 1,54
Envelhecido V-ENV-2250h 0,98
“natural”
4000
V-NAT-4000h 1,56
Envelhecido V-ENV-4000h-1 1,43
V-ENV-4000h-2 1,51
(6.6)
(6.7)
(6.8)
Capítulo 6 – Análise de resultados
117
Verifica-se que os provetes sujeitos a envelhecimento “natural”, as tensões aumentam com o
periodo de envelhecimento. No caso das vigas sujeitas a envelhecimento acelerado, assiste-se a
um decréscimo às 2250 horas e um aumento às 4000 horas.
6.2.4. Extensões máximas no CFRP
As extensões máximas no CFRP (εm\x) antes da rotura, apresentadas na tabela 6.10, podem ser
determinadas pela seguinte expressão:
εm\x = FCFRPbf. tf. Ef onde FCFRP é a força no CFRP, bf é a largura do sistema compósito de FRP, tf é a espessura do
compósito de FRP e Ef é o módulo de elasticidade do compósito de FRP.
Tabela 6.10 – Extensão máxima no CFRP nas vigas ensaiadas
Envelhecimento Provete
y\(%)
Tipo Duração (horas)
-- 0 V-REF-2C-100 0,54
“natural” 2250
V-NAT-2250h 0,64
Envelhecido V-ENV-2250h 0,41
“natural”
4000
V-NAT-4000h 0,65
Envelhecido V-ENV-4000h-1 0,60
V-ENV-4000h-2 0,63
Verifica-se que a extensão máxima se situa no intervalo (0,41% a 0,65%). Ao comparar os
valores obtidos tanto para as 2250 horas como para as 4000 horas nas vigas envelhecidas por
ciclos de temperatura com os resultados obtidos nos provetes planos com duas camadas de
CFRP ensaiados com 3500 horas de envelhecimento tem-se que os valores obtidos nas vigas
não ultrapassam as extensões máximas dos provetes ensaiados à tracção.
(6.9)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
118
6.3. Ensaios de tracção
Relativamente aos ensaios de tracção apresenta-se, de seguida, a análise comparativa entre os
provetes planos sujeitos a um período de envelhecimento acelerado de 3500 horas e os provetes
planos de referência (ensaiados às 0 horas). Analisa-se a variação das propriedades mecânicas,
sendo estas: a força de rotura em tracção (Ffu), a tensão de rotura à tracção (σfu), a extensão na
rotura à tracção (εfu) e o módulo de elasticidade (Ef).
Na figura 6.9 apresentam-se as propriedades mecânicas determinadas para os provetes planos
com uma camada de CFRP envelhecidos (P-ENV-1C) e os respectivos provetes planos de
referência, nomeadamente os provetes P-REF-1C.
Figura 6.9 – Comparação das propriedades mecânicas dos provetes planos com uma camada de CFRP envelhecidos com os provetes planos de referência
Comparativamente aos provetes de referência, os provetes planos envelhecidos apresentam um
aumento na força, tensão e extensão na rotura, cerca de 1,8%, 1,5% e 14,6%, respectivamente.
O módulo de elasticidade no CFRP evidencia a deterioração face aos ciclos de temperatura,
diminuindo em cerca de 11,4% em relação aos provetes de referência.
8,60
2062,66
1,30
159,008,75
2093,97
1,49
140,80
1 2 3 4
P-REF-1C P-ENV-1C
Ffu(kN) σfu (MPa) εfu (%) Ef (GPa)
Capítulo 6 – Análise de resultados
119
Na figura 6.10 apresentam-se as propriedades mecânicas relativas aos provetes com duas
camadas de CFRP envelhecidos por ciclos de temperatura durante 3500 horas (P-ENV-2C) e
aos respectivos provetes de referência (P-REF-2C).
Comparativamente aos provetes de referência, os provetes envelhecidos apresentam
decréscimos em todas as propriedades analisadas, nomeadamente 6,9% na força na rotura, 5,4%
na tensão última, 1,4% na extensão última e 4,5% no módulo de elasticidade. Assiste-se à
deterioração das propriedades do CFRP analisadas.
Figura 6.10 – Comparação das propriedades mecânicas dos provetes planos com duas camadas de CFRP envelhecidos com os provetes planos de referência
Em suma, assiste-se à deterioração das propriedades mecânicas analisadas dos provetes planos
de CFRP com duas camadas perante a imposição de 3500 horas de ciclos de temperatura. O
mesmo não acontece com os provetes planos com uma camada de CFRP que apresentam
melhoria em todas as suas propriedades à excepção do módulo de elasticidade. Esperaria-se que
os provetes com uma camada fossem mais afectados, uma vez que, por apresentarem uma
espessura menor, permitiriam que o ataque da temperatura fosse mais severo verificando-se
decréscimos nas propriedades analisadas. Recorde-se que os provetes considerados como
válidos estão em número bastante reduzido e que todos os resultados foram influenciados por
este factor e ainda pelo escorregamento entre garras existente na maioria dos ensaios realizados.
19,47
2305,01
1,85125,14
18,15
2180,80
1,83119,54
1 2 3 4
P-REF-2C P-ENV-2C
Ffu(kN) σfu (MPa) εfu (%) Ef (GPa)
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
120
Estudo do comportamento de vigas de betão simples reforçadas com CFRP
e sujeitas a envelhecimento
121
Capítulo 7
CONCLUSÕES
E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
7.1. Considerações gerais
No presente capítulo tecem-se comentários finais ao trabalho desenvolvido onde se confrontam
os objectivos propostos com os alcançados e sintetizam-se as conclusões obtidas. Por último,
apresentam-se alguns aspectos específicos que podem ser considerados em possíveis
desenvolvimentos futuros.
7.2. Conclusões e comentários finais
Neste trabalho pretendeu-se avaliar a degradação na ligação betão-CFRP em vigas de betão
reforçadas externamente à flexão com compósitos de CFRP envelhecidas com ciclos de
temperatura e à temperatura ambiente. Procurou-se, também, avaliar isoladamente a degradação
do CFRP, ensaiando à tracção uma série de provetes planos, após envelhecimento por ciclos de
temperatura.
A variação na largura e espessura do reforço aplicado revelou influenciar os valores de
capacidade de carga, deslocamento máximo, rigidez dos provetes e, ainda, os modos de rotura
obtidos. O aumento da largura conferiu às vigas reforçadas com uma camada de CFRP um
acréscimo de 23,5% na capacidade de carga e nos provetes com duas camadas de reforço
verificou-se um aumento de 14,8%. Por sua vez, o aumento da espessura do reforço reflectiu um
acréscimo na capacidade de carga nos provetes reforçados com uma e duas camadas de CFRP
em 33,9% e 26,3%, respectivamente. Nos provetes ensaiados às 0 horas constata-se que o
aumento da espessura e largura do reforço potencia o destacamento pela camada superficial do
betão.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
122
Relativamente às vigas envelhecidas, verificou-se que os ciclos de temperatura alteram as
propriedades da ligação entre o betão e o CFRP e que o envelhecimento “natural”, tal como era
esperado, confere menor degradação.
Em termos de cargas de rotura, não se encontrou uma tendência clara ao longo do período de
envelhecimento acelerado. Às 2250 horas as vigas sofrem uma quebra na carga de rotura de
25,1%, seguindo-se um aumento, às 4000 horas, de 12,3%. Nas vigas sujeitas a envelhecimento
“natural” assistiu-se ao aumento gradual da carga de rotura, fruto da melhoria da polimerização
da resina do reforço. Às 2250 horas e às 4000 horas a capacidade de aumenta em cerca de
18,2% e 19,6%, respectivamente.
As superfícies de rotura observadas são diferentes consoante o período e tipo de
envelhecimento. Nos provetes sujeitos ao envelhecimento “natural”, o destacamento do CFRP é
mais evasivo na pelicula superficial de betão do que nos provetes envelhecidos na câmara
climática, cujas roturas são de um modo geral, no adesivo.
As tensões médias atingidas na ligação apresentam uma distribuição pouco uniforme, com
tensões localizadas, o que prejudica o comportamento da ligação betão-CFRP permitindo a
ocorrência de fenómenos de peeling off. Os modos de rotura com destacamento da camada
superficial do betão podem ser justificados pelos valores de tensões obtidos, superiores ao valor
de tensão de tracção no betão.
Nos ensaios de tracção nos provetes planos tem-se uma perda generalizada às 3500 horas para
os provetes planos com duas camadas de CFRP. Estes provetes apresentam perdas médias de
6,9% em termos de força de rotura, 5,4% relativamente à tensão de rotura, 1,4% para a extensão
na rotura e 4,5% no módulo de elasticidade. Relativamente aos provetes planos com uma
camada de CFRP sujeitos aos ciclos de temperatura assiste-se à melhoria de todas as
propriedades analisadas à excepção do módulo de elasticidade. Apresentam um aumento na
força, tensão e extensão últimas (1,8%, 1,5% e 14,6%, respectivamente) e um decréscimo no
módulo de elasticidade em cerca de 11,4%. Face aos resultados obtidos nos ensaios de tracção,
conclui-se que a espessura do CFRP é determinante para o seu nível de deterioração, sendo as
suas propriedades mecânicas afectadas pela imposição de ciclos de temperatura.
Terminado o presente trabalho, pode concluir-se que, em geral, e não obstante o número
reduzido de provetes ensaiados, os seus objectivos foram alcançados.
Capítulo 7 – Conclusões e desenvolvimentos futuros
123
7.3. Desenvolvimentos futuros
Em qualquer trabalho de investigação procura-se responder de modo satisfatório às questões
propostas inicialmente. É natural que, no final do mesmo, se imponham novas questões
pertinentes. Deste modo, tendo por base o presente trabalho, podem-se definir algumas
propostas passíveis de ser desenvolvidas em futuros trabalhos de investigação:
• realização de actividades experimentais com o mesmo programa de envelhecimento
abrangendo um maior número de provetes, de forma a reduzir o nível de dispersão de
resultados;
• realização de actividades experimentais com diferentes ambientes de exposição,
permitindo o estudo dos níveis de degradação face a outros agentes ambientais, mas
mantendo o mesmo tipo de vigas e reforço aplicado;
• realização de estudo de caracterização de materiais mais profundo, especialmente ao
nível da evolução das características do betão ao longo do período de envelhecimento;
• realização de diferentes preparações na superfície do betão para a aplicação do CFRP,
verificando qual a técnica mais eficaz;
• realização de análise microscópica dos compósitos ao longo do período de
envelhecimento, verificando as alterações na estrutura dos materiais;
• realização de actividades experimentais no material CFRP que permitam a sua
caracterização, antes e após a imposição do programa de envelhecimento, mais eficaz
do que a obtida no presente trabalho;
• realização de estudo aprofundado da ligação que permite a transferência de carga entre
o betão e o CFRP;
• elaboração de modelos numéricos tridimensionais, termoquímicos e termomecânicos
que simulem a acção de ciclos gelo/degelo em vigas de betão reforçadas exteriormente
com CFRP, considerando a evolução da ligação betão-CFRP com diferentes
temperaturas.
Estudo do comportamento de vigas de betão simples e reforçadas com CFRP,
sujeitas a envelhecimento
124
Referências bibliográficas
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